JP5666126B2 - 単一トラック式光学エンコーダ - Google Patents

Description

［関連出願との相互参照］
本特許出願は、「Optical Encoder Systems, Devices and Methods」という名称のYee Loong Chin他への米国特許出願第＿＿＿＿号と同じ日付に提出された。その特許の全体は、参照することによって本願に組み込まれる。

［発明の分野］
本願で説明される発明の種々の実施形態は、光学エンコーダとそれに関連した構成要素、装置、システム及び方法に関する。

光学エンコーダは一般的に、モータ制御システム内の閉ループ・フィードバック制御などの、アプリケーション内の動き検出器として使用される。一例として、多くの光学エンコーダは、位置をコード化するために回転運動又は直線運動を２チャネルのディジタル出力に変換するように構成される。

多くの光学エンコーダは、ＬＥＤを光源として使用する。透過式エンコーダでは、光はＬＥＤ上に配置されたレンズによって平行ビームにコリメートされる。発光体の反対側には、一般に、フォトダイオード・アレイ及び信号プロセッサから構成される光検出器が存在する。コード・ホイール又はコード・ストリップなどのコード・スケール（code scale）が発光体と光検出器との間を移動すると、光ビームは、コード・スケール上に配置されたバーとスペースのパターンによって断続される。同様に、反射式又はイメージング式エンコーダでは、ＬＥＤ上のレンズは光をコード・スケールに合焦させる。光は、光検出器の上に配置されたレンズに向かって反射されるか又は反射されない。コード・スケールが動くと、バーとスペースに対応する明暗パターンの交番パターンがフォトダイオードに当たる。フォトダイオードはこれらのパターンを検出し、対応する出力が信号プロセッサによって処理されて、ディジタル波形が発生される。そのようなエンコーダの出力は、一例として、モータの位置、速度及び加速度に関する情報を提供するために使用される。

３チャネル式光学エンコーダには、フォトダイオード・アレイＩ及びＩ’を有するインデックス・チャネル式光検出器が設けられている。ここで、インデックス・チャネル式光検出器は、データチャネルの軸と整列していない、またそれらと横方向にオフセットされている。しかしながら、そのようなエンコーダは、実現するためには大きな表面積とパッケージ寸法が必要であり、また光検出器が大きな表面積を必要とすることを考えると、コード・スケールと光検出器との間に位置合わせ不良が生じる可能性が大きくなる。そのような方法では、専用の光アライメント装置や工程が必要とされるため、製造費用や時間も一般に増加する。例えば、Leonardに対する米国特許第４，４５１，７３１号を参照されたい。

２チャネル光反射式エンコーダが、Bin Saidan他への米国特許第７，３９４，０６１号の中で開示されている（以後、「’０６１特許」と呼ぶ）。この’０６１特許では、第３のインデックス・チャネルの出力信号が、Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’のデータチャネルに対応する信号の比較的複雑な処理を通して提供される。そのようなエンコーダでは、相当な資源と時間を、インデックス・チャネルの出力信号を発生するために必要な複雑な出力回路を設計するために振り向ける必要がある。さらに、データとインデックス・チャネルによって与えられた出力は、光検出器が発生した全電流が必要な出力信号を発生するには十分でない場合、劣化される可能性がある。その結果、Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’チャネルの少なくとも幾つかの対は、インデックス・チャネルの出力信号を発生するために使用されることができない。より高い解像度では、データチャネル用光検出器の幅と対応する表面積が小さく、またそれらが発生する電流がインデックスの出力パルスを発生するには不十分であるため、’０６１特許の２チャネルの設計は実現できない。従って、別の電子回路が、フォトダイオードの電流を増加するために必要とされる。

市場は、より小さくより高い分解能の光反射式エンコーダを絶えず要求している。必要とされるのは、複雑で高価な信号処理用出力回路を使用することなく提供することができる、より小さくより高い分解能の光反射式エンコーダである。

本発明の分野に直接又は間接的に関係する内容を含む種々の特許には下記が含まれるが、これらに限定されることはない、すなわち、１９８４年５月２９日の、Leonardへの米国特許第４，４５１，７３１号、２００８年６月１０日の、Foo他への米国特許第７，１８２，２４８号、２００８年１１月１１日の、Ng他への米国特許第７，３８５，１７８号、２００８年７月１５日の、Wong他への米国特許第７，４００，２６９号、２００８年７月１日の、Saidan他への米国特許第７，３９４，０６１号、２００６年１０月２６日の、Saxena他への米国特許出願第２００６／０２３７５４０号、２００８年１月２１日の、Otsuka他への米国特許出願第２００８／００２４７９７号が含まれる。

上記で掲載した日付は、優先日、出願日、公開日及び発行日のいずれか１つに対応する。この背景技術の区分における上記の特許及び特許出願のリストは、出願人又はその弁護士によって承認されたものではなく、また上記リストからの１つ以上の出版物が出願人の種々の発明に関して従来技術を構成すると解釈してはならない。本願で参照される全ての印刷された出版物や特許のそれぞれの全体は、本願に組み込まれるものとする。

以下に記述された「発明の概要」、「発明を実施するための形態」及び「特許請求の範囲」を読んで理解すれば、当業者は、本願で列挙され印刷された明細書の中で開示されたシステム、装置、構成要素及び方法の少なくとも幾つかを、本発明の種々の実施形態の教示に基づいて好適に修正することができることは理解するであろう。

幾つかの実施形態では、反射式光学エンコーダが提供される。この反射式光学エンコーダは、上面を有する基板と、この上面に取り付けられ又は装着されて、そこから発光するように構成された発光体と、共通軸を有し、この共通軸に沿ってＡ及びＢデータチャネル用光検出器とＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器との対の複数の交互シーケンス、並びに少なくとも一対のインデックス・チャネルＩ及びＩ’用光検出器を配置した、上面に取り付けられ又は装着された単一トラック式光検出器と、インデックス及びデータ・ストリップを有して、共通軸に沿って移動するように構成されたコード・スケールとを具備し、Ａ及びＡ’並びにＢ及びＢ’の光検出器は互いに９０度位相をずらして配列され、コード・スケールが単一トラック式光検出器に関して動作できるように配置及び構成されて、発光体から放射された光の少なくとも一部がコード・スケールからデータチャネル及びインデックス・チャネル用光検出器に向かって反射される。

別の実施形態では、反射式光学エンコーダを作る方法が提供される。この方法には、上面を有する基板を設けるステップと、発光体をこの上面に取り付ける又は装着するステップと、自身に関連した共通軸を有し、この共通軸に沿ってＡ及びＢデータチャネル用光検出器とＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器との対の複数の交互シーケンス及びインデックス・チャネルＩ及びＩ’用光検出器の少なくとも１対を配置した単一トラック式光検出器を上面に取り付ける又は装着するステップと、単一トラック式光検出器に対してコード・スケールを位置決めしかつ動作可能に配置するステップとが含まれ、Ａ及びＡ’光検出器並びにＢ及びＢ’光検出器は互いに９０度位相をずらして配列され、コード・スケールがインデックス及びデータ・ストリップを備えて、コード・スケールが共通軸に沿って移動し、発光体から放射された光の少なくとも一部がコード・スケールからデータチャネル及びインデックス・チャネル用光検出器に向かって反射される。

さらに別の実施形態が本願で開示されても、明細書及びその図面を読んで理解すれば、当業者には明らかになるであろう。

本発明の種々の実施形態の様々な態様は、下記の明細書、図面及び請求の範囲から明らかになる。

本発明の反射式光学エンコーダ１０の第１の実施形態を示す図である。 図１の実施形態によって与えられた例示的な出力信号を示す図である。 本発明の反射式光学エンコーダ１０の第２の実施形態を示す図である。 図３の実施形態によって与えられた例示的な出力信号を示す図である。 本発明の反射式光学エンコーダ１０の第３の実施形態を示す図である。 図５の実施形態によって与えられた例示的な出力信号を示す図である。 本発明の反射式光学エンコーダ１０の第４の実施形態を示す図である。 図７の実施形態によって与えられた例示的な出力信号を示す図である。

これらの図面は、必ずしも縮尺通りには描かれていない。同じ番号は、特に断りのない限り、図面全体を通して同じ部品又はステップを指している。

本発明の種々の実施形態では、単一トラック反射式光学エンコーダのシステム、装置及び方法が提供される。

「単一トラック式エンコーダ」という用語は、本願で使用される場合、単一のコード・スケールを備えた光学エンコーダを意味する。この単一コード・スケールは、その上又は中に形成又は与えられたデータ又はコードのパターン又はバー及びインデックスのパターン又はバーを有し、データ及びインデックス・パターンは、データチャネル及びインデックス・チャネル用光検出器を有する対応する単一トラックの上に配置された、単一トラック内の共通の単一軸に沿って一緒に移動する。

図１は、反射式光学エンコーダ１０の１つの実施形態を示している。ここでは、単一トラック式光検出器４８が、基板（図１には示されていない）の上面に取り付けられるか又は装着されている。発光体（これも図示されていない）も基板の上面に取り付けられるか又は装着されて、そこから発光するように構成されている。単一トラック式光検出器４８は、共通軸４７を有している。Ａ及びＢデータチャネル用光検出器及びＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器１４の対の複数の交互シーケンス、並びに少なくとも一対のインデックス・チャネルＩ及びＩ’用光検出器２０ａ及び２０ｂが、共通軸４７に沿って配置されている。このインデックス・チャネル用光検出器は、図１の実施形態によれば、単一トラック式光検出器４８の対向する端部４３及び４５に配置されている。Ａ及びＡ’並びにＢ及びＢ’データチャネル用光検出器１４のそれぞれの対は、互いに９０度位相をずらして配列される。コード・スケール３０は、インデックス及びデータ・ストリップ３１及び３３を備えている。このコード・スケールは、当面の特定のアプリケーションに依存するが、軸４９に沿って順方向及び／又は逆方向に移動するように構成される。コード・スケール３０の軸４９は、単一トラック式光検出器４８の対応する軸４７に少なくともほぼ一致しかつ平行している。コード・スケール３０は、発光体から放射された光の少なくとも一部がコード・スケール３０からデータ及びインデックス・チャネル用光検出器１４、２０ａ及び２０ｂに向かって反射されるように、単一トラック式光検出器４８と動作できるように配置及び構成される。

図１の実施形態でさらに示されているように、データチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’（１４）のそれぞれは、約「ＰＤ」（すなわち「光検出器」）に等しい第１の幅を有し、一方インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂは約ＰＤの４倍に等しい第２の幅を有し、そしてインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａは約ＰＤの３倍に等しい第３の幅を有している。インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びＩ’（２０ａ）に対する他の幅も、図３、図５及び図７で示されているように使用することができる。インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びＩ’（２０ａ）に対する幅は、コード・スケール３０上のインデックス・スケール３１の幅とインデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びＩ’（２０ａ）の幅との組合せが、データチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’１４によって与えられた出力信号２２及び２４に関して３６０度の幅を有する出力パルス２６を発生するように選択されることが好ましい（図２を参照のこと）。図１及び図２の実施例では、インデックス・スケール３１の幅はＰＤの６倍に等しいが、反射（すなわち、明るい）及び非反射（すなわち、暗い）のデータ・ストリップ３３の各対はＰＤの４倍に相当する組み合わされた幅を有する。従って、図１に示された２つの幅（すなわち、インデックス・ストリップ３１の幅／データ・ストリップ３３の明暗の対の組み合わされた幅）の比率は１．５である。インデックス・ストリップ及びデータ・ストリップの幅に関する他の比率は、約２．５（すなわち、約ＰＤの１０倍／ＰＤの４倍）、約３．５（すなわち、約ＰＤの１４倍／ＰＤの４倍）、及び約４．５（すなわち、約ＰＤの１８倍／ＰＤの４倍）などと考えられている。

さらに、図１の実施形態の中にさらに示されているように、インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びＩ’（２０ａ）の高さＨは、個々のデータチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’の高さｈとは異なる。図１の実施形態では、データチャネル用光検出器１４は第１の高さｈを有し、インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂはｈの約１．５倍に相当する第２の高さを有し、またインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａはｈの約０．９倍に等しい第３の高さを有する。インデックス・チャネル用光検出器Ｉ及びＩ’に対する別の高さも、図３、図５及び図７に示されているように、使用することができる。インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びＩ’（２０ａ）に対する別の高さの実施例は、個々のデータチャネル用光検出器１４の高さよりも約２倍、約３倍また約４倍よりも大きい。

反射式光学エンコーダ１０の種々の実施形態では、１つ以上のインデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びインデックス・チャネル用光検出器Ｉ’（２０ａ）の高さＨを、データチャネル用光検出器１４の対応する高さに関して大きくして、Ｉ及びＩ’の光検出器によって提供される電流を増加するために付加的な電子回路を設ける必要なく、インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びＩ’（２０ａ）に対応するチャネルＩ用コンパレータ２５から十分な電圧出力を提供することができる。

当業者はここで、インデックス・チャネル用光検出器、データチャネル用光検出器、及びコード・ホイールのインデックス及びデータ・ストリップの幅及び高さの好適なほぼ無限の順列や組合せを、本願で開示された教示に基づいて使用することができることは理解するであろう。

反射単一トラック式光学エンコーダでは、インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びインデックス・チャネル用光検出器Ｉ’（２０ａ）の少なくとも１つの高さが、対応するデータチャネル用光検出器１４の高さの少なくとも約１．５倍よりも高くない場合は、約１００ＬＰＩ、約２００ＬＰＩ、約２５０ＬＰＩ、及び／又は約３００ＬＰＩを超えるライン／インチ（「ＬＰＩ」）分解能を確実に得ることはできないことが発見されている。

「分解能」という用語は、本願で使用される場合は、光学エンコーダ１０によって達成される基本的な分解能を意味するものであり、例えば、ディジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、プロセッサ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、集積回路（「ＩＣ」）又は他の任意の適当な信号処理又はコンピュータ用電子回路を用いて、エンコーダ１０によって与えられた出力信号２２、２４及び２６に対して何らかの処理が後で行われる前の分解能を指す。そのような処理技術は、エンコーダ１０によって与えられた基本的な又は基礎的な分解能をさらに広げることができる。図１の実施形態にさらに示されているように、Ａ及びＡ’データチャネル、Ｂ及びＢ’データチャネル、及びＩ及びＩ’インデックス・チャネルのそれぞれは、チャネルＡ用コンパレータ２１、チャネルＢ用コンパレータ２３、及びチャネルＩ用コンパレータ２５にそれぞれ動作可能に接続されて、アナログ信号のＡ及びＡ’、Ｂ及びＢ’、及びＩ及びＩ’の対を、それぞれ、それらのコンパレータに提供する。コンパレータ２１、２３及び２５は、単一チャネル式光検出器４８によって、そこに与えられた各アナログ信号の対を比較して、図２に示されているように、ディジタル出力信号２２、２４及び２６をそこから提供する。

ここで図２を参照すると、チャネルＡ用コンパレータ２１が、データチャネルＡ及びＡ’によって配送されたアナログ信号を比較し、ディジタル出力信号を２２を提供していることが分かる。この出力信号２２は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＡ及びＡ’用光検出器に対して順次反射される場合の、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。同様に、チャネルＢ用コンパレータ２３は、データチャネルＢ及びＢ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２４を提供している。この出力信号２４は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＢ及びＢ’用光検出器に対して順次反射される場合の、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。図２に示されているように、出力信号２２及び２４は、互いに約９０度位相がずれている。チャネルＩ用コンパレータ２５は、インデックス・チャネルＩ及びＩ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２６を提供する。出力信号２６は、チャネルＡ及びＢ用コンパレータ２１及び２３が提供したデータ用出力パルス２２及び２４よりも幅がかなり大きいインデックス用出力パルスであり、ある実施形態では、データ用出力パルス２２及び２４の幅に対して約３６０度の幅を有している。

図１のインデックス・ストリップ３１は、データ・ストリップ３３に対応する交番するバー及びウィンドウ領域の上部に並んで配置された不透明領域の６個のストリップを示している。コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８に対して移動すると、アナログ信号がインデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂ及びインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａによって発生される。別の方法では、インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂはハイレベルの信号を発生する。ローレベルの信号は、インデックス・ストリップ３３の６個の不透明領域が、インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂのフォトダイオードと整列したときに発生される。

図２を参照すると、チャネルＩのディジタル出力信号２６が、アナログのフォトダイオードＩの信号２７とアナログのフォトダイオードＩ’の信号２９の両方が互いにクロスオーバするときに、信号処理によって発生される。図４、図６及び図８で示されたディジタルのインデックス・チャネル用出力信号２６に対して、同じ原理が適用される。

図１の実施形態の発光体、単一トラック式光検出器４８、及びコード・スケール３０は、エンコーダ２０が約１００ライン／インチ（ＬＰＩ）、約１５０ＬＰＩ、約２００ＬＰＩ、又は約３００ＬＰＩを超える分解能を提供できるように合わせて構成されることができることに注意されたい。

種々の実施形態では、反射式光学エンコーダ１０は、光学的に透明な材料から構成されるドーム・レンズを備え、発光体と単一トラック式光検出器３８との間に配置された光学的に不透明な光バリアも備えることができる。この光バリアは、迷光が単一トラック式光検出器３８に入射するのを防止又は阻止するように構成されている。データチャネル用光検出器１４及びインデックス・チャネル用光検出器２０ａ及び２０ｂは、１つの集積回路ダイ上に配置することもできる。発光体と単一トラック式光検出器４８が配置される基板はプリント基板とし、リードフレームはプラスチックから構成する又はポリマー又は他の任意の適当な組成又は材料から形成することができる。

図３を参照すると、反射式光学エンコーダ１０の別の実施形態が示されている。この実施形態では、単一トラック式光検出器４８が基板（図３には示されていない）の上面に取り付けられるか又は装着されている。発光体（これも図示せず）も上面に取り付けられるか又は装着されて、１つの態様では、そこから発光するように構成される。単一トラック式光検出器４８は、共通軸４７を有している。Ａ及びＢデータチャネル用光検出器及びＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器１４の対の複数の交互シーケンス、並びに２つのインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａ及び１つのインデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂが、共通軸４７に沿って配置されている。このインデックス・チャネル用光検出器は、図３の実施形態によれば、単一トラック式光検出器４８の対向する端部４３及び４５に配置されている。Ａ及びＡ’並びにＢ及びＢ’データチャネル用光検出器１４のそれぞれの対は、互いに９０度位相をずらして配列される。コード・スケール３０は、インデックス及びデータ・ストリップ３１及び３３を備えている。このコード・スケールは、当面の特定のアプリケーションに依存するが、軸４９に沿って順方向及び／又は逆方向に移動するように構成される。コード・スケール３０の軸４９は、単一トラック式光検出器４８の対応する軸４７に少なくともほぼ一致しかつ平行している。コード・スケール３０は、発光体から放射された光の少なくとも一部がコード・スケール３０からデータ及びインデックス・チャネル用光検出器１４、２０ａ及び２０ｂに向かって反射されるように、単一トラック式光検出器４８と動作できるように配置及び構成される。

図３の実施形態でさらに示されているように、データチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’（１４）のそれぞれは、約「ＰＤ」（すなわち「光検出器」）に等しい第１の幅を有し、一方インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂは約ＰＤに等しい第１の幅を有し、そしてインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａは約ＰＤの４倍に等しい第２の幅を有している。

図３の実施形態にさらに示されているように、インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）及びＩ’（２０ａ）の高さＨは、個々のデータチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’の高さｈとは異なる。図３の実施形態では、データチャネル用光検出器１４の高さは第１の高さｈであり、一方インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂ及びインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａの高さは、ｈの約１．５倍に等しい第２の高さである。図３に示されている実施形態では、インデックス・チャネルＩ’用光検出器が２つの別個の光検出器２０ａを具備し、それぞれの光検出器の幅はＰＤであり、距離ＰＤだけ離れていることに注意されたい。図３に示されている実施形態では、インデックス・ストリップ３１の幅はＰＤの６倍であるが、データ・ストリップの幅はＰＤの２倍である。

図３の実施形態にさらに示されているように、Ａ及びＡ’データチャネル、Ｂ及びＢ’データチャネル、及びＩ及びＩ’インデックス・チャネルはそれぞれ、チャネルＡ用コンパレータ２１、チャネルＢ用コンパレータ２３、及びチャネルＩ用コンパレータ２５に動作可能に接続されて、アナログ信号のＡ及びＡ’、Ｂ及びＢ’、及びＩ及びＩ’の対を、それぞれ、それらのコンパレータに提供する。コンパレータ２１、２３及び２５は、単一チャネル式光検出器４８によってそこに与えられた各アナログ信号の対を比較して、図４に示されているように、ディジタル出力信号２２、２４及び２６をそこから提供する。

図４を参照すると、チャネルＡ用コンパレータ２１が、データチャネルＡ及びＡ’によって配送されたアナログ信号を比較して、ディジタル出力信号２２を提供していることが分かる。この出力信号２２は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＡ及びＡ’用光検出器に対して順次反射される場合に、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。同様に、チャネルＢ用コンパレータ２３は、データチャネルＢ及びＢ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２４を提供している。この出力信号２４は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＢ及びＢ’用光検出器に対して順次反射される場合に、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。図４に示されているように、出力信号２２及び２４は、互いに約９０度位相がずれている。チャネルＩ用コンパレータ２５は、インデックス・チャネルＩ及びＩ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２６を提供する。この出力信号２６は、チャネルＡ及びＢ用コンパレータ２１及び２３が提供したデータ出力パルス２２及び２４よりも幅がかなり大きいインデックス用出力パルスであり、データ出力パルス２２及び２４の幅に対して約３６０度の幅を有している。

図３の実施形態の発光体、単一トラック式光検出器４８及びコード・スケール３０は、エンコーダ２０が約１００ライン／インチ（ＬＰＩ）、約１５０ＬＰＩ、約２００ＬＰＩ、又は約３００ＬＰＩを超える分解能を提供できるように合わせて構成することができることに注意されたい。

ここで図５を参照すると、反射式光学エンコーダ１０の別の実施形態が示されている。この実施形態では、単一トラック式光検出器４８が基板（図５には示されていない）の上面に取り付けられるか又は装着されている。発光体（これも図示せず）も上面に取り付けられるか又は装着されて、１つの態様では、そこから発光するように構成される。単一トラック式光検出器４８は、共通軸４７を有している。Ａ及びＢデータチャネル用光検出器及びＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器１４の対の複数の交互シーケンス、単一トラック式光検出器４８の中央部４１に配置された４個のインデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂ、及び図５の実施形態によれば、単一トラック式光検出器４８の対向する端部４３及び４５にそれぞれ配置されている２つのインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａが、共通軸４７に沿って配置されている。Ａ及びＡ’並びにＢ及びＢ’データチャネル用光検出器１４のそれぞれの対は、互いに９０度位相をずらして配列される。コード・スケール３０は、インデックス及びデータ・ストリップ３１及び３３を有している。このコード・スケールは、当面の特定のアプリケーションに依存するが、軸４９に沿って順方向及び／又は逆方向に移動するように構成される。コード・スケール３０の軸４９は、単一トラック式光検出器４８の対応する軸４５に少なくともほぼ一致すると共に平行している。コード・スケール３０は、発光体から放射された光の少なくとも一部がコード・スケール３０からデータ及びインデックス・チャネル用光検出器１４、２０ａ及び２０ｂに向かって反射されるように、単一トラック式光検出器４８と動作できるように配置及び構成される。

図５の実施形態でさらに示されているように、データチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’（１４）のそれぞれは、約「ＰＤ」に等しい第１の幅を有し、一方インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂは約ＰＤの４倍に等しい幅を有し、そしてインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａはそれぞれ約ＰＤの２倍に等しい幅を有している。

図５の実施形態にさらに示されているように、インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）の高さＨは、個々のデータチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’、並びにインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａの高さｈとは異なっている。図５の実施形態では、データチャネル用光検出器１４とインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａの高さは第１の高さｈであり、一方インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂ及びインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ｂの高さは、ｈの約２倍に等しい第２の高さである。図５に示されている実施形態では、インデックス・チャネルＩ’用光検出器が２つの別個の光検出器２０ａを具備し、それぞれの光検出器の幅はＰＤであるが、インデックス・チャネルＩ用光検出器は４個の別個の光検出器２０ｂを有し、それぞれの光検出器の幅はＰＤであることに注意されたい。図５に示されている実施形態では、インデックス・ストリップ３１の幅はＰＤの６倍であるが、データ・ストリップの幅はＰＤの２倍である。

図１及び図３に例示されたものと同様の態様では、図５のＡ及びＡ’データチャネル、Ｂ及びＢ’データチャネル、及びＩ及びＩ’インデックス・チャネルはそれぞれ、チャネルＡ用コンパレータ２１、チャネルＢ用コンパレータ２３、及びチャネルＩ用コンパレータ２５に動作可能に接続されて、アナログ信号のＡ及びＡ’、Ｂ及びＢ’、及びＩ及びＩ’の対を、それぞれ、それらのコンパレータに提供する。コンパレータ２１、２３及び２５は、単一チャネル式光検出器４８によってそこに与えられた各アナログ信号の対を比較して、図６に示されているように、ディジタル出力信号２２、２４及び２６をそこから提供する。

ここで図６を参照すると、チャネルＡ用コンパレータ２１が、データチャネルＡ及びＡ’によって配送されたアナログ信号を比較して、ディジタル出力信号を２２を提供していることが分かる。この出力信号２２は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＡ及びＡ’用光検出器に対して順次反射される場合に、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。同様に、チャネルＢ用コンパレータ２３は、データチャネルＢ及びＢ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２４を提供している。この出力信号２４は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＢ及びＢ’用光検出器に対して順次反射される場合に、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。図６に示されているように、出力信号２２及び２４は、互いに約９０度位相がずれている。チャネルＩ用コンパレータ２５は、インデックス・チャネルＩ及びＩ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２６を提供する。この出力信号２６は、チャネルＡ及びＢ用コンパレータ２１及び２３が提供したデータ出力パルス２２及び２４よりも幅がかなり大きいインデックス用出力パルスであり、データ出力パルス２２及び２４の幅に対して約３６０度の幅を有している。

図５の実施形態の発光体、単一トラック式光検出器４８及びコード・スケール３０は、エンコーダ２０が約１００ライン／インチ（ＬＰＩ）、約１５０ＬＰＩ、約２００ＬＰＩ、約２５０ＬＰＩ、及び／又は約３００ＬＰＩを超える分解能を提供できるように合わせて構成されることができることに注意されたい。

図７を参照すると、反射式光学エンコーダ１０のさらに別の実施形態が示されている。この実施形態では、単一トラック式光検出器４８が基板（図７には示されていない）の上面に取り付けられるか又は装着されている。発光体（これも図示せず）も上面に取り付けられるか又は装着されて、１つの態様では、そこから発光するように構成される。単一トラック式光検出器４８は、共通軸４７を有している。Ａ及びＢデータチャネル用光検出器及びＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器１４の対の複数の交互シーケンスが、共通軸４７に沿って配置され、単一トラック式光検出器４８の対向する端部４３及び４５に２個のインデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂが配置され、及び共通軸４７に平行な方向に沿っているが、データチャネル用光検出器１４からは横方向に並置されて共通軸４７には沿っていない長径を有する単一のインデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａが、配置されている。Ａ及びＡ’並びにＢ及びＢ’データチャネル用光検出器１４のそれぞれの対は、互いに９０度位相をずらして配列される。コード・スケール３０は、インデックス・ストリップ及びデータ・ストリップ３１及び３３を有している。このコード・スケールは、当面の特定のアプリケーションに依存するが、軸４９に沿って順方向及び／又は逆方向に移動するように構成される。コード・スケール３０の軸４９は、単一トラック式光検出器４８の対応する軸４５に少なくともほぼ一致すると共に平行している。コード・スケール３０は、発光体から放射された光の少なくとも一部がコード・スケール３０からデータ及びインデックス・チャネル用光検出器１４、２０ａ及び２０ｂに向かって反射されるように、単一トラック式光検出器４８と動作できるように配置及び構成される。

図７の実施形態でさらに示されているように、データチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’（１４）のそれぞれは、約「ＰＤ」に等しい第１の幅を有し、一方インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂは約ＰＤの４倍に等しい幅を有している。インデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａの幅は、約ＰＤの１倍に等しい。

図７の実施形態にさらに示されているように、インデックス・チャネル用光検出器Ｉ（２０ｂ）の高さＨは、個々のデータチャネル用光検出器Ａ、Ａ’、Ｂ及びＢ’の高さｈとは異なっている。図７に示されているように、インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂの高さＨは、ｈの約１．５倍に等しく、一方インデックス・チャネルＩ’用光検出器２０ａの高さは、ｈの約０．４倍である。図７に示されている実施形態では、インデックス・チャネルＩ’用光検出器が１つの別個の光検出器２０ａを備えているが、インデックス・チャネルＩ用光検出器２０ｂは２個の別個の光検出器２０ｂを有し、各光検出器の幅はそれぞれＰＤの約４倍と１倍であることに注意されたい。図７に示されている実施形態では、インデックス・ストリップ３１の幅はＰＤの６倍であるが、データ・ストリップの幅はＰＤの２倍である。

図１及び図３に例示されたものと同様の態様では、図７のＡ及びＡ’データチャネル、Ｂ及びＢ’データチャネル、及びＩ及びＩ’インデックス・チャネルはそれぞれ、チャネルＡ用コンパレータ２１、チャネルＢ用コンパレータ２３、及びチャネルＩ用コンパレータ２５に動作可能に接続されて、アナログ信号のＡ及びＡ’、Ｂ及びＢ’、及びＩ及びＩ’の対を、それぞれ、それらのコンパレータに提供する。コンパレータ２１、２３及び２５は、単一チャネル式光検出器４８によってそこに与えられた各アナログ信号の対を比較して、図８に示されているように、ディジタル出力信号２２、２４及び２６をそこから提供する。

ここで図８を参照すると、チャネルＡ用コンパレータ２１が、データチャネルＡ及びＡ’によって配送されたアナログ信号を比較して、ディジタル出力信号２２を提供していることが分かる。この出力信号２２は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＡ及びＡ’用光検出器に対して順次反射される場合に、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。同様に、チャネルＢ用コンパレータ２３は、データチャネルＢ及びＢ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２４を提供している。この出力信号２４は、コード・スケール３０が単一トラック式光検出器４８の上を移動して、発光体によって放射された光が、共通軸４７に沿って配置されたチャネルＢ及びＢ’用光検出器に対して順次反射される場合に、コード・スケール３０上のデータ・ストリップ３３から反射された光の検出に対応する出力パルスの列である。図８に示されているように、出力信号２２及び２４は、互いに約９０度位相がずれている。チャネルＩ用コンパレータ２５は、インデックス・チャネルＩ及びＩ’によって配送されたアナログ信号を比較することによって、ディジタル出力信号２６を提供する。この出力信号２６は、チャネルＡ及びＢ用コンパレータ２１及び２３が提供したデータ出力パルスよりも幅がかなり大きいインデックス用出力パルスであり、データ出力パルス２２及び２４の幅に対して約３６０度の幅を有している。

図７の実施形態の発光体、単一トラック式光検出器４８及びコード・スケール３０は、エンコーダ２０が約１００ライン／インチ（ＬＰＩ）、約１５０ＬＰＩ、約２００ＬＰＩ、約２５０ＬＰＩ、及び／又は約３００ＬＰＩを超える分解能を提供できるように合わせて構成されることができることに注意されたい。

本発明の種々の実施形態は幾つかの問題を解決すると共に、幾つかの利点を有している。ある実施形態では、単一トラック式光検出器４８により、エンコーダの大きさとコストを減少させることができ、これにより、２つのデータチャネルと１つのインデックス・チャネルを１つのトラックに沿って配置することができ、また３つのチャネルに対応する光検出器アレイを１つの集積回路ダイ上に配置することができることが分かる。一般に、反射式光学エンコーダの中の集積回路は、反射式光学エンコーダの中では１つの最も高価な構成要素である。本願で開示された単一トラック構成によって設置面積と大きさを小さくすることが可能にされたため、分解能が高い小型のエンコーダを作ることができる。さらに、発光体によって光が広げられる面積及びコード・スケールは、より小型にすることができる。その理由は、データチャネル及びインデックス・チャネル用光検出器の表面積を、本願で開示された単一トラック式光検出器を用いて小さくすることができるためである。コード・スケールと光検出器との間の径方向の位置合わせ不良に対する感度は、１つの検出器用トラックしか使用しないため減少される。その結果、コード・ホイールと光検出器との間の位置合わせ不良は減少され、またコード・スケールを光検出器に整列させるための特別な装備を必要としないので、製造及び組立のコストは低減される。幾つかの実施形態では、電流出力を増加するために付加的な回路を使用する、又はインデックス・チャネル用出力信号を発生するために込み入った論理操作を行う必要がないため、従来技術で必要とされた複雑な電子回路を省くことができる。この反射式光学エンコーダの種々の実施形態により、従来よりも遙かに高い分解能を実現できるだけでなく、エンコーダの大きさと設置面積をより小さくすることができる。これらの種々の実施形態は比較的単純でまた容易に実現することができ、従来よりも小さい光放射領域を使用することができ、その結果としてパッケージを小さくし、コード・ホイールと光検出器用フォトダイオード・アレイに位置合わせ不良が生ずる可能性を減らし、ダイと構体のコストを低減し、従来の単純な電子回路を使用することができ、また回路の再設計を行う必要性を除くことができる。さらに、幾つかの実施形態では、インデックス・チャネルＩ及びＩ’がデータチャネルＡ、Ａ’、Ｂ及びＢ’とフォトダイオードを共有しないため、種々のインデックス用パルス幅を当面の特定のアプリケーションに基づいて発生することができる。

本願で説明された様々な構成要素、装置及びシステムを作る方法は、本発明の範囲の中に含まれる。一例として、反射式光学エンコーダを作る方法が提供される。この方法には、上面を有する基板を提供するステップと、発光体をこの上面に取り付ける又は装着するステップと、自身に関連した共通軸と移動方向を有し、この共通軸に沿ってＡ及びＢデータチャネル用光検出器とＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器との対の複数の交互シーケンス及びインデックス・チャネルＩ及びＩ’用光検出器の少なくとも１対を配置した単一トラック式光検出器を上面に取り付ける又は装着するステップと、単一トラック式光検出器に対してコード・スケールを位置決めしかつ動作可能に配置するステップと、が含まれ、Ａ及びＡ’、Ｂ及びＢ’及びＩ及びＩ’光検出器は互いに９０度位相をずらして配列され、かつコード・スケールがインデックス及びデータ・ストリップを備えて、コード・スケールが共通軸に沿って移動し、発光体から放射された光の少なくとも一部がコード・スケールからデータチャネル及びインデックス・チャネル用光検出器に向かって反射される。そのような方法は、それぞれのデータチャネル用光検出器に第１の幅を、またインデックス・チャネルＩ用光検出器及びインデックス・チャネルＩ’用光検出器の少なくとも１つに、第１の幅に対して約１．５、２、３又は４倍以上の第２の幅を与えるステップをさらに備えることができる。

先に開示された実施形態に加えて、種々の実施形態が考えられる。例えば、単一トラックや前述された実施形態の他の機構を備えた透過式光学エンコーダが特に考えられる。

前述された実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の実施例として考えるべきである。本発明の前述の実施形態に加えて、詳細な説明及び添付した図面を詳細に調べると、本発明の別の実施形態が存在することが分かるであろう。従って、明示的に本願に記載されていない本発明の前述した実施形態の多くの組合せ、置き換え、変更及び修正は、本発明の範囲の中に含まれるものとする。

Claims (24)

1. 反射式光学エンコーダであって、
   上面を有する基板と、
   前記上面に取り付けられ又は装着されて、そこから発光するように構成された発光体と、
   共通軸を有し、前記共通軸に沿って配置されたＡ及びＢデータチャネル用光検出器とＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器との対の複数の交互シーケンスを有すると共に、少なくとも一対のインデックス・チャネルＩ及びＩ’用光検出器を有する、前記上面に取り付けられ又は装着された単一トラック式光検出器と、
   インデックス及びデータ・ストリップを有し、前記共通軸に沿って移動するように構成されたコード・スケールとを備え、
   前記Ａ及びＡ’並びに前記Ｂ及びＢ’の光検出器は互いに９０度位相をずらして配列され、前記コード・スケールが前記単一トラック式光検出器に関して動作できるように配置及び構成されて、前記発光体から放射された光の少なくとも一部が前記コード・スケールから前記データチャネル及び前記インデックス・チャネル用光検出器に向かって反射され、
   前記各データチャネル用光検出器が第１の幅および第１の高さを有し、前記インデックス・チャネルＩ用光検出器及び前記インデックス・チャネルＩ’用光検出器の少なくとも１つが、前記第１の幅の１．５倍より大きい、２倍より大きい、又は３倍より大きい第２の幅を有し、
   前記インデックス・チャネルＩ用光検出器及びインデックス・チャネルＩ’用光検出器の少なくとも１つが前記第１の高さより大きい第２の高さを有する、反射式光学エンコーダ。
2. 前記第２の高さが、前記第１の高さの１．５倍より大きい、請求項１に記載の反射式光学エンコーダ。
3. 前記第２の高さが、前記第１の高さの２倍より大きい、請求項１に記載の反射式光学エンコーダ。
4. 前記第２の高さが、前記第１の高さの３倍より大きい、請求項１に記載の反射式光学エンコーダ。
5. 前記インデックス・チャネルＩ用光検出器及び前記インデックス・チャネルＩ’用光検出器の１つが前記第１の高さ及び第２の高さ以下の第３の高さを有する、請求項１〜４の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
6. 前記第３の高さが、前記第１の高さの０．９倍である、請求項５に記載の反射式光学エンコーダ。
7. 前記コード・スケール上の反射形及び非反射形データ・ストリップの対が合わせて第１のコード対幅を有し、前記コード・スケール上の前記インデックス・ストリップが第２のインデックスコード幅を有し、前記第２のインデックスコード幅が前記第１のコード対幅の少なくとも１．５倍である、請求項１〜６の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
8. 前記コード・スケール上の反射形及び非反射形データ・ストリップの対が合わせて第１のコード対幅を有し、前記コード・スケール上の前記インデックス・ストリップが第２のインデックスコード幅を有し、前記第２のインデックスコード幅が前記第１のコード対幅の少なくとも２．５倍である、請求項１〜６の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
9. 前記コード・スケール上の反射形及び非反射形データ・ストリップの対が合わせて第１のコード対幅を有し、前記コード・スケール上の前記インデックス・ストリップが第２のインデックスコード幅を有し、前記第２のインデックスコード幅が前記第１のコード対幅の少なくとも３．５倍である、請求項１〜６の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
10. 前記インデックス・チャネルＩ用光検出器及びインデックス・チャネルＩ’用光検出器の少なくとも１つが、少なくとも２つの別個の光検出器を備える、請求項１〜９の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
11. 前記少なくとも２つの別個の光検出器が前記第１の幅の距離だけ分離されている、請求項１０に記載の反射式光学エンコーダ。
12. 前記インデックス・チャネルＩ用光検出器及び前記インデックス・チャネルＩ’用光検出器の少なくとも１つが少なくとも４個の隣接する別個の光検出器を有し、前記それぞれの別個の光検出器が前記第１の幅を有する、請求項１〜１１の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
13. 前記少なくとも４個の隣接する別個の光検出器が前記単一トラック式光検出器の中央に配置される、請求項１２に記載の反射式光学エンコーダ。
14. 前記インデックス・チャネルＩ用光検出器が前記少なくとも４個の隣接する別個の光検出器を具備し、前記インデックス・チャネルＩ’用光検出器が２個の隣接する別個の光検出器の少なくとも第１及び第２の対を具備し、前記それぞれの別個の光検出器が前記第１の幅を有し、前記第１及び第２の対がそれぞれ前記単一トラック式光検出器の第１及び第２の端部に配置される、請求項１３に記載の反射式光学エンコーダ。
15. Ａ及びＡ’データチャネル、Ｂ及びＢ’データチャネル、及びＩ及びＩ’インデックス・チャネルのそれぞれが、チャネルＡ、チャネルＢ、及びチャネルＩ用コンパレータにそれぞれ動作可能に接続されて、アナログ信号のＡ及びＡ’、Ｂ及びＢ’、及びＩ及びＩ’の対を、それぞれ前記チャネルＡ、チャネルＢ、及びチャネルＩ用コンパレータに提供する、請求項１〜１４の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
16. 前記チャネルＡ、チャネルＢ、及びチャネルＩ用コンパレータのそれぞれが、前記コンパレータに配送されたＡ及びＡ’、Ｂ及びＢ’、及びＩ及びＩ’のアナログ信号の対の間の比較に基づいて、ディジタルのハイ及びローの出力信号をそこから提供するように構成される、請求項１５に記載の反射式光学エンコーダ。
17. 前記発光体、前記単一トラック式光検出器、及び前記コード・スケールが、前記エンコーダが１００ライン／インチ（ＬＰＩ）、２００ライン／インチ（ＬＰＩ）、２５０ライン／インチ（ＬＰＩ）、３００ＬＰＩ、又は４００ライン／インチ（ＬＰＩ）を超える分解能を提供することを可能にするように構成される、請求項１〜１６の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
18. 光学的に透明な材料から構成される１つのドーム・レンズをさらに備える、請求項１〜１７の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
19. 前記発光体と前記単一トラック式光検出器との間に配置された光学的に不透明な光バリアをさらに備え、前記光バリアは、迷光が前記単一トラック式光検出器に入射するのを防止又は阻止するように構成さる、請求項１〜１８の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
20. 前記データチャネル用光検出器及び前記インデックス・チャネル用光検出器が１つのダイ上に配置される、請求項１〜１９の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
21. 前記基板はプリント基板であり、リードフレームはプラスチックからなるか又はポリマーから形成される、請求項１〜２０の何れかに記載の反射式光学エンコーダ。
22. 反射式光学エンコーダを製作する方法であって、
    上面を有する基板を提供し、
    発光体を前記上面に取り付ける又は装着し、
    自身に関連した共通軸を有し、前記共通軸に沿って配置されたＡ及びＢデータチャネル用光検出器とＡ’及びＢ’データチャネル用光検出器との対の複数の交互シーケンスを有すると共に、インデックス・チャネルＩ及びＩ’用光検出器の少なくとも１対を有する単一トラック式光検出器を前記上面に取り付ける又は装着し、前記各データチャネル用光検出器が第１の幅および第１の高さを有し、前記インデックス・チャネルＩ用光検出器及び前記インデックス・チャネルＩ’用光検出器の少なくとも１つが、第２の高さを有し、前記第２の高さが前記第１の高さより大きく、前記インデックス・チャネルＩ用光検出器及び前記インデックス・チャネルＩ’用光検出器の少なくとも１つが、前記第１の幅の１．５倍より大きい、２倍より大きい、又は３倍より大きい第２の幅を有し、前記Ａ及びＡ’、並びにＢ及びＢ’光検出器が互いに９０度位相をずらして配列され、
    前記単一トラック式光検出器に対してコード・スケールを位置決めしかつ動作可能に配置することを含み、
    前記コード・スケールがインデックス及びデータ・ストリップを備え、前記コード・スケールが前記共通軸に沿って移動し、前記発光体から放射された光の少なくとも一部が前記コード・スケールから前記データチャネル及び前記インデックス・チャネル用光検出器に向かって反射される、方法。
23. 前記第２の高さが、前記第１の高さよりも１．５倍大きく又は２倍より大きくされる、請求項２２に記載の方法。
24. 明暗の反射性及び非反射性のデータ・ストリップの交番する対を、前記コード・スケールに提供することをさらに含み、前記データ・ストリップの対が第１の幅を有し、前記少なくとも１つのコード・ストリップが第２の幅を有し、前記第２及び第１の幅の比率が、１．５、２．５及び３．５の１つである、請求項２２又は２３に記載の方法。

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