光学エンコーダのためのフォトセンサ配列
【課題】光学エンコーダ。
【解決手段】反射型光学エンコーダは、反射コーディング要素と、複数のエミッタと、検出器とを含む。反射コーディング要素は、反射部分と非反射部分とが交互に配置されて成るトラックを含む。複数のエミッタのそれぞれは、コーディング要素のトラックに対して入射する対応する光信号を生成するように構成されている。検出器は、トラックの反射部分から反射された対応する光信号を検出するように構成されている。１つの実施形態において、検出器は、別個のフォトセンサグループ内に位置される複数のフォトセンサを含み、各フォトセンサグループは複数のエミッタのうちの１つに対応している。光学エンコーダの実施形態は、形状因子が小さいエンコーダに適しており、エンコーダ組み立ての容易性を高める。
【解決手段】反射型光学エンコーダは、反射コーディング要素と、複数のエミッタと、検出器とを含む。反射コーディング要素は、反射部分と非反射部分とが交互に配置されて成るトラックを含む。複数のエミッタのそれぞれは、コーディング要素のトラックに対して入射する対応する光信号を生成するように構成されている。検出器は、トラックの反射部分から反射された対応する光信号を検出するように構成されている。１つの実施形態において、検出器は、別個のフォトセンサグループ内に位置される複数のフォトセンサを含み、各フォトセンサグループは複数のエミッタのうちの１つに対応している。光学エンコーダの実施形態は、形状因子が小さいエンコーダに適しており、エンコーダ組み立ての容易性を高める。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
光学エンコーダは、例えばクランクシャフトなどのシャフトの動きを監視するために使用される。光学エンコーダは、シャフトの位置及び／又は回転数に関してシャフトの動きを監視することができる。光学エンコーダは、システム内で使用されて、厳しいサイズ制限内で高分解能を与える。
【０００２】
光学エンコーダは、一般に、シャフトに取り付けられたコードホイールを使用して、シャフトおよびコードホイールが回転するときに光を変調する。透過型コードホイールでは、光がコードホイール上のトラックの透過部分を通過するときに変調される。透過部分同士は非透過部分によって分離されている。反射型コードホイールでは、光がコードホイール上のトラックの反射部分から反射されるときに変調される。反射部分同士は非反射部分によって分離されている。コードホイールの回転に応じて光が変調されると、変調光を受けるフォトセンサ配列から電気信号の流れが生成される。電気信号は、シャフトの位置及び／又は回転数を決定するために使用される。
【０００３】
図１ａは従来の透過型光学エンコーダシステム１０を示している。光学エンコーダシステム１０はエンコーダ１２と透過型コードホイール１４とを含む。エンコーダ１２はエミッタ１６と検出器１８とを含む。エミッタ１６が光を発し、その光は、コードホイール１４の透過部分を通過して、検出器１８によって検出される。透過型光学エンコーダシステム１０がコードホイール１４の一方側にエミッタ１６を実装し且つコードホイール１４の他方側に検出器１８を実装することを考えると、透過型光学エンコーダシステム１０はかなりの大きさの空間を費やす。
【０００４】
絶対位置を決定するために使用される光学エンコーダは、一般に、望まれる分解能の各ビット毎に別個のトラックを有するコードホイールを有する。例えば、４ビット分解能を有するエンコーダは一般に４つの異なるトラックを使用し、各トラックは対応するフォトセンサを有する。トラックは、異なるトラックからの光がフォトセンサで混ざり合わない十分な距離だけ互いに離間されている。フォトセンサは別個のトラックと位置合わせされる。
【０００５】
図１ｂは従来のマルチビット検出器１８を示している。従来のマルチビット検出器１８はフォトセンサ２０の直線状の配列を含む。フォトセンサ２０は、配列の中心線の近傍で直線状に配置されている。また、検出器１８は、インデックス信号を生成するためのモニタフォトセンサ２２も含む。モニタフォトセンサ２２は配列の他のフォトセンサ２０と位置合わせされる。
【発明の開示】
【０００６】
光学エンコーダの実施形態を説明する。１つの実施形態の反射型光学エンコーダは、反射コーディング要素(reflective coding element)と、複数のエミッタと、検出器とを含む。反射コーディング要素は、反射部分と非反射部分とが交互に配置されて成るトラックを含む。複数のエミッタのそれぞれは、コーディング要素のトラックに対して入射する対応する光信号を生成するように構成されている。検出器は、トラックの反射部分から反射された対応する光信号を検出するように構成されている。１つの実施形態において、検出器は、別個のフォトセンサグループ内に位置される複数のフォトセンサを含み、各フォトセンサグループは複数のエミッタのうちの１つに対応している。
【０００７】
光学エンコーダの幾つかの実施形態では、フォトセンサが検出器の縁部近傍に位置される。幾つかの実施形態は、複数のエミッタと複数のフォトセンサとをカプセル封入するためのカプセル材料を含む。カプセル材料が複数のレンズを形成し、各レンズがフォトセンサグループのうちの１つ及び対応するエミッタと位置合わせされてもよい。また、各レンズは、対応するエミッタからトラックへと光信号を方向付けるとともに、トラックから反射された光信号を対応するフォトセンサグループへと方向付けるように構成されていてもよい。コーディング要素がコードホイールまたはコードストリップであってもよい。
【０００８】
他の実施形態において、光学エンコーダは、コーディング要素のトラックに対して入射する複数の光信号を生成するための手段と、コーディング要素の動きを検出するための手段と、複数の光信号のクロストークを減少させるための手段とを含む。光学エンコーダの他の実施形態についても記載されている。
【０００９】
光学エンコーダ内の１つの実施形態の検出器は、第１のフォトセンサグループと第２のフォトセンサグループとを含む。第１のフォトセンサグループは、検出器の第１の縁部の近傍に位置され、少なくとも１つのフォトセンサを含む。第２のフォトセンサグループは、検出器の反対側の縁部に位置され、少なくとも１つのフォトセンサを含む。検出器の他の実施形態についても記載されている。
【００１０】
本発明の実施形態の他の態様および利点は、本発明の原理の一例として示される添付図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかとなる。
【００１１】
説明の全体にわたって、同様の要素を示すために同様の参照符号が使用されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、反射型光学エンコーディングシステム１００の一実施形態の概略回路図を示している。図示の反射型光学エンコーディングシステム１００は、反射性材料１０２と、コードホイール１０４と、エンコーダ１０６と、マイクロプロセッサ１１０とを含む。一実施形態において、反射性材料１０２は、コードホイール１０４に対して物理的に結合されるコーティングまたは基板である。幾つかの実施形態において、反射性材料１０２の反射面は、エンコーダ１０６に対向するコードホイール１０４に対して結合されている。
【００１３】
コードホイール１０４の更に詳しい説明は図３に示されているが、ここでは、図２に示される反射型光学エンコーディングシステム１００の作用に関して簡単に説明する。一般に、コードホイール１０４は、反射部分１４２と非反射部分１４４とから成る１つ以上のトラック１４０を含む。エンコーダ１０６のエミッタ１２０は、コードホイールトラック１４０に対して入射する光を生成する。例えばモータシャフト（図示せず）によってコードホイール１０４が回転されると、入射光は、トラック１４０の反射部分１４２によって反射されるが、トラック１４０の非反射部分１４４によって反射されない。したがって、光は、変調パターン（すなわち、ｏｎ−ｏｆｆ−ｏｎ−ｏｆｆ……）でトラック１４０により反射される。エンコーダ１０６の検出器１３０は、変調反射光信号を検出し、それに応じて１つ以上の対応する信号を生成する。幾つかの実施形態では、検出器１３０がモニタ信号またはインデックス信号を生成してもよい。その後、これらの信号は、マイクロプロセッサ１１０へ送信される。マイクロプロセッサ１１０は、該信号を使用して、例えばコードホイール１０４が結合されるモータシャフトまたは他の可動部品の動きを評価する。
【００１４】
１つの実施形態において、エンコーダ１０６はエミッタ１２０と検出器１３０とを含む。エミッタ１２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源１２２を含む。便宜上、ここでは光源１２２を１つのＬＥＤとして説明するが、他の光源または複数の光源が設けられてもよい。１つの実施形態において、ＬＥＤ１２２は、電流制限レジスタＲLを介して駆動信号ＶLEDにより駆動される。そのような駆動回路の詳細は周知である。また、幾つかの実施形態のエミッタ１２０は、特定の経路またはパターンで投影光を方向付けるようにＬＥＤ１２２と位置合わせされるレンズ１２４も含んでもよい。例えば、レンズ１２４は、１つ以上のコードホイールトラック１４０上に光を合焦してもよい。
【００１５】
１つの実施形態において、検出器１３０はフォトダイオードなどの１つ以上のフォトセンサ１３２を含む。フォトセンサは例えば集積回路中（ＩＣ）に実装されてもよい。便宜上、ここではフォトセンサ１３２をフォトダイオードとして説明するが、他のタイプのフォトセンサが使用されてもよい。１つの実施形態において、フォトダイオード１３２は、反射光の固有のパターンまたは波長を検出するように独自に構成されている。幾つかの実施形態では、ポジショントラックおよびインデックストラックを含む複数のトラック１４０からの変調反射光信号を検出するために幾つかのフォトダイオード１３２が使用されてもよい。また、フォトダイオード１３２は、コードホイール１０４の半径およびデザインに対応するパターンで配置されてもよい。ここでは、フォトダイオード１３２の様々なパターンをフォトセンサ配列と称する。フォトダイオード１３２によって生成される信号は、デジタル位置情報を生成する信号処理回路１３４によって処理される。１つの実施形態において、信号処理回路は、複数のトラック１４０からの検出信号にしたがってデジタル位置情報を生成するためのポジションロジックを含む。
【００１６】
１つの実施形態において、検出器１３０は、デジタル位置情報を生成するために１つ以上のコンパレータ（図示せず）も含む。例えば、フォトダイオード１３２からのアナログ信号は、コンパレータによってＴＴＬ（transistor-transistor logic）適合デジタル出力信号へ変換されてもよい。１つの実施形態において、これらの出力信号は、変調反射光信号における位置・方向情報を示している。また、検出器１３０は、反射光信号をフォトダイオード１３２へと方向付けるためのレンズ１３６を含んでもよい。
【００１７】
幾つかの実施形態では、エミッタ１２０および１つ以上のフォトダイオード１３２が１つのグループを成して一緒に位置されてもよく、また、エミッタ１２０およびフォトダイオード１３２のために単一のレンズ１３６が使用されてもよい。更に、幾つかの実施形態は、対応するレンズ１３６を伴って或いは伴うことなくエミッタ１２０とフォトダイオード１３２とから成る幾つかのグループを設けてもよい。
【００１８】
１つの実施形態において、反射型光学エンコーディングシステム１００は、絶対位置を決定するための構成要素を含む。例えば、エンコーダ１０６は、当該エンコーダ１０６がパワーアップ時にコードホイール１０４の絶対角度位置を決定できるように、更なるトラック１４０、フォトダイオード１３２、ＬＥＤ１２２、または、他の構成要素を含んでもよい。絶対角度位置は、多くの周知の技術を使用して決定することができる。対応するハードウェアを用いた１つの典型的な技術は、参照により本明細書に組み入れられる「Ｍｕｌｔｉ−ｂｉｔ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｃｏｄｅｒ ｗｉｔｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｒａｃｋｓ」と題された２００６年６月２日に出願された米国特許第１１／４４５，６６１号に更に詳しく記載されている。他の典型的な絶対エンコーダは、参照により本明細書に組み入れられる「Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｎｃｏｄｅｒ」と題された米国特許第７，１１２，７８１号に更に詳しく記載されている。エミッタ、検出器、および光学エンコーダの更なる詳細は、一般に、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第４，４５１，７３１号、第４，６９１，１０１号、および第５，２４１，１７２号において参照されてもよい。
【００１９】
図３は、絶対コードホイール１０４の１つの実施形態の概略図を示している。特に、図３は、ディスクの形状を成す円形絶対コードホイール１０４の平面図を示している。幾つかの実施形態では、コードホイール１０４がディスクではなくリングの形状を成していてもよい。図示のコードホイール１０４は複数のトラック１４０を含み、これらのトラックはコードホイール１０４と同心の円形トラックであってもよい。例えば、図示のコードホイール１０４は、トラック１４０0（最も外側のトラック）、トラック１４０1、トラック１４０2、トラック１４０3、トラック１４０4、トラック１４０5、トラック１４０6（最も内側のトラック）で示された７個の異なるトラックを含む。
【００２０】
１つの実施形態において、各トラック１４０は、コードホイール１０４を１周にわたって周回する連続繰り返しパターンを含む。各トラック１４０の図示のパターンは反射部分１４２と非反射部分１４４とを交互に含むが、他のパターンが実施されてもよい。これらの反射部分１４２および非反射部分１４４はポジション部分とも称される。１つの実施形態において、コードホイール１０４の反射部分１４２はコードホイール１０４の反射スポークであり、非反射部分１４４は透明窓または空隙である（窓または空隙の反対側に反射コーティング１０２を伴わない）。本実施形態では、コードホイール１０４全体の表面近くに反射性材料１０２が加えられてもよい。本実施形態が図４Ａに示されている。
【００２１】
他の実施形態では、コードホイール１０４の裏面が光沢ニッケル（Ｎｉ）またはクロムなどの反射性材料１０２でコーティングされてもよく、また、反射性材料１０２に対して非反射トラックパターンを適用することができる。非反射パターンは、コードホイール１０４上の反射表面に対してシルクスクリーン印刷され、スタンプ印刷され、インクジェット印刷され、あるいは、直接に加えられてもよい。あるいは、非反射パターンは、例えば射出成形、ダイカッティング、打ち抜き（例えばフィルム）によって、または、その上に不透明スポークを有する非反射要素を形成することによって別個の部分として形成されてもよい。本実施形態が図４Ｂに示されている。
【００２２】
他の実施形態において、反射部分１４２は、コードホイール１０４の反対側に反射コーティング１０２を有するコードホイール１０４の透明部分である。本実施形態において、非反射部分１４４は、それらがＬＥＤ１２２からの光を吸収するように不透明であってもよい。本実施形態が図４Ｃに示されている。
【００２３】
また、幾つかの実施形態では、円形コードホイール１０４を、円形ではないコーディング要素と置き換えることができることに留意すべきである。例えば、コードストリップなどのリニアコーディング要素が使用されてもよい。他の実施形態では、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第５，０１７，７７６号に記載されるように、スパイラルバーパタ−ンを伴う円形コーディング要素が使用されてもよい。あるいは、様々な形状のコーディング要素において他の光変調パターンが実施されてもよい。
【００２４】
前述したように、コードホイール１０４の回転、したがってトラック１４０の回転は、検出器１３０において反射光信号の変調をもたらし、それにより、コードホイール１０４の角度位置に対応する絶対位置信号が生成される。このため、トラック１４０がポジショントラックと称されてもよい。他の実施形態のコードホイール１０４は、当分野で周知のように、更なるポジショントラックなどの他のトラックを含んでもよい。
【００２５】
１つの実施形態において、ポジショントラック１４０のそれぞれの径方向の組み合わせ（例えば、コードホイール１０４の半径に沿ってとられる組み合わせ）は、固有のデジタル位置出力１４６に対応する。例えば、ポジショントラック１４０の図示された径方向（径方向の破線間）の組み合わせは、１１０１０１０のデジタル位置出力１４６に対応する。１つの実施形態において、デジタル位置出力１４６の各ビットは、ポジショントラック１４０のうちの１つに対応する。１つの例として、最下位ビット（ＬＳＢ）が最初のポジショントラック１４０0に対応し、最上位ビット（ＭＳＢ）が最後のポジショントラック１４０6に対応する。あるいは、他のビット順序付けが実施されてもよい。また、デジタルハイ信号およびロー信号を指定するために取り決めが成されてもよい。例えば、非反射部分１４４がデジタルロー信号「０」に対応し、反射部分１４２がデジタルハイ信号「１」に対応する。あるいは、他のデジタル取り決めが使用されてもよい。
【００２６】
図示の実施形態において、各トラック１４０内のポジショントラック部分１４２および１４４は同じ周方向寸法（幅寸法とも称する）を有する。すなわち、第１（最も外側）のポジショントラック１４０0における中間の非反射トラック部分１４４は、第１のポジショントラック１４０0における反射トラック部分１４２と同じ幅寸法を有する。同様に、第２のポジショントラック１４０1における反射トラック部分および非反射トラック部分１４２および１４４は等しい幅寸法（この図示の実施形態では、ポジショントラックにおける第１のポジショントラック１４０0のトラック部分１４２および１４４の幅の２倍）を有する。コードホイール１０４の各ポジショントラック１４０の分解能は、ポジショントラック部分１４２および１４４の幅寸法の関数である。１つの実施形態において、非反射トラック部分１４４の幅寸法は、連続する反射光パルス間の検出可能なギャップを生成するために必要な面積量の関数である。また、ポジショントラック１４０は径方向寸法すなわち高さ寸法も有する。
【００２７】
図示のポジショントラック１４０およびポジション部分１４２および１４４に加えて、コードホイール１０４はインデックストラックまたはモニタトラック１５０を含んでもよい。インデックストラックおよびモニタトラックは周知のため、これ以上詳しく説明しない。
【００２８】
図５Ａは、回路基板１６０上のエンコーダ１０６のレイアウトの１つの実施形態を示している。特に、図５Ａは１３ビット反射型エンコーダ１０６の一実施形態を示している。これは、検出器１３０が１３個のフォトダイオード１３２を含むからである（しかしながら、他のエンコーダ１０６および検出器１３０はこれよりも少ない或いは多いビットを有していてもよい）。１つの実施形態において、回路基板１６０は、エミッタ１２０と検出器１３０とを含むエンコーダ１０６を実装するために使用される。幾つかの典型的なタイプの回路基板１６０は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、フレキシブル回路、リードフレーム、インサート成形されたリードフレーム、ガラス基板、セラミック基板、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）などを含むが、これらに限定されない。あるいは、他のタイプの回路基板１６０が使用されてもよい。幾つかの実施形態では、他の回路が回路基板１６０上に実装されてもよい。しかしながら、幾つかの実施形態では、光学エンコーダ１０６の厚さを小さく維持するために、回路基板１６０に実装される回路の量が制限されてもよい。
【００２９】
フォトダイオード１３２は、破線の円で示されるように、複数のグループを成して配置されている。より一般的には、該グループ分けは、フォトダイオードまたはフォトセンサグループ化とも称される。各グループは、少なくとも１つのフォトダイオード１３２と対応するエミッタ１２０とを含む。１つの実施形態において、フォトダイオード１３２の数はコードホイール１０４上のトラック１４０および１５０の数に対応している。また、フォトダイオード１３２の数は、エンコーダ１０６によって出力されるビットの数を決定してもよい。１つの実施形態において、１つのグループは、エミッタ１２０と、インデックストラック１５０と位置合わせされるモニタフォトダイオードとして使用するための単一のフォトダイオード１３２とを含んでもよい。
【００３０】
１つの実施形態において、フォトダイオード１３２は、エミッタ１２０のＬＥＤ１２２と検出器１３０のフォトダイオード１３２との間のほぼ中心線で光がコードホイール１０４に対して入射し且つコードホイール１０４から反射されるように配置される。エミッタ１２０および検出器１３０を実装するために様々な方法が使用されてもよい。１つの実施形態では、チップオンボード技術を使用してエミッタ１２０および検出器１３０が実装されてもよい。あるいは、エミッタ１２０および検出器１３０は、離散移送成形されたエミッタ−検出器パッケージとして実装されてもよい。１つの実施形態において、エミッタ１２０および検出器１３０は、特定の厚さの光学エンコーダ１０６を得るために、むき出しのダイとして回路基板１６０上に取り付けられてもよい。このようにすれば、エミッタ１２０および検出器１３０を互いに近接してダイ取り付けして、光パワーの損失の可能性を減らすことができ或いは最小限に抑えることができる。あるいは、エミッタ１２０および検出器１３０の実装により、エンコーダ１０６とコードホイール１０４との間の隙間を小さくできてもよい。エンコーダ１０６とコードホイール１０４との間の隙間は、カプセル材料があるとすれば、エンコーダ１０６の一部または全てをカプセル封入するために、カプセル材料の使用に依存していてもよい。
【００３１】
幾つかの実施形態では、フォトダイオード１３２が検出器１３０のほぼ縁部に位置される。例えば、図示のエンコーダ１０６は、検出器１３０の第１の縁部に３つのグループを成して位置される８個のフォトダイオード１３２を含み、検出器１３０の反対側の縁部に３つのグループを成して位置される６個のフォトダイオード１３２を含む。幾つかの実施形態では、フォトダイオード１３２を別個のエミッタ１２０と共にグループ分けすると、複数の光源に起因するクロストークを低減するのに役立つ。また、前述したように光学レンズを使用して、そのようなクロストークを低減してもよい。
【００３２】
また、各グループのフォトダイオード１３２がコードホイール１０４の径方向のラインに沿って位置され、それにより、エンコーダ１０６がコードホイール１０４と共に組み付けられる際に１つのグループ内のフォトダイオード１３２がコードホイール１０４の半径を辿るようになっていてもよい。例えば、フォトダイオード１３２の第１のグループがコードホイール１０４の第１の径方向ラインに沿って位置されてもよく、また、フォトダイオード１３２の第２のグループがコードホイール１０４の第２の径方向ラインに沿って位置されてもよい。第１のグループは、検出器１３０の第１の縁部に対してゼロでない第１の角度を成して配置されてもよく、また、第２のグループは、検出器１３０の反対側の縁部に対してゼロでない第２の角度を成して配置されてもよい。このようにすれば、エンコーダ１０６がコードホイール１０４と共に組み付けられる際に、コードホイール１０４の径方向ラインに応じた固有の角度でフォトダイオード１３２の各グループを位置させることができる。
【００３３】
フォトダイオード１３２の幾何学的寸法は、トラック１４０のトラック部分１４２および１４４の対応する光学的サイズを基準としてもよいことに留意すべきである。例えば、光学倍率は、フォトダイオード１３２およびトラック部分１４２および１４４のサイズと光学的に適合するように使用されてもよい。１つの実施形態では、光学倍率が２ｘであり、それにより、幾何学的に更に小さいコードホイール１０４がフォトダイオード１３２の更に大きな配列に対して光学的に適合される。この光学倍率は、前述したように光学レンズを使用することによって得られてもよい。
【００３４】
また、複数のフォトダイオード１３２がトラック１４０毎に使用されてもよいことに留意すべきである。１つの実施形態において、単一のトラック１４０におけるフォトダーオード１３２の各組からの信号は、互いに平均化されてもよく、あるいは、フォトダイオード１３２の対応する各組毎に単一の出力信号をもたらしてもよい。
【００３５】
図５Ｂは、エミッタ１２０およびフォトダイオード１３２ごとに独立のレンズを有する回路基板１６０上のエンコーダ１０６’のレイアウトの他の実施形態を示している。光学レンズの実施形態について更に詳しく説明するが、図５Ｂは、フォトダイオード１３２の各グループ毎に複数の光学レンズを実装できることを示唆するために破線円を示している。他の実施形態では、光学レンズを伴う他のグループ分けを成してフォトダイオード１３２がグループ化されてもよく（例えば、１つのフォトダイオード１３２ごとに１つのレンズ）、あるいは、エンコーダ１０６’がレンズを何ら伴うことなく実装されてもよい。
【００３６】
図６は、図５Ａのエンコーダ１０６の断面図を示している。前述した構成要素（破線で示されている）に加えて、図６は、エミッタ１２０とフォトダイオード１３２を含む検出器１３０とをカプセル封入するカプセル材料１６２も示している。カプセル材料１６２の１つの例はエポキシであるが、他のタイプのカプセル材料が使用されてもよい。つまり、エンコーダ１０６をパッケージングするためにカプセル材料１６２が使用されてもよい。
【００３７】
幾つかの実施形態では、カプセル材料１６２が１つ以上の光学レンズ１６２を形成してもよい。光学レンズ１６２は、フォトダイオード１３２の個々のグループと位置合わせされてもよい。このようにしてエミッタ１２０とフォトダイオード１３２とレンズ１６２とを位置合わせすると、レンズ１６２は、対応するエミッタ１２０からコードホイール１０４へと光を方向付けることができるとともに、コードホイール１０４から対応するフォトダイオード１３２へと光を方向付けることができる。他の実施形態では、カプセル材料１６２から個別にレンズ１６２が形成されてもよい。
【００３８】
図７は、図６のカプセル材料１６２およびエンコーダ１０６の側面図を示している。エンコーダ１０６の内部構成要素は図示されていないが、図７は、フォトダイオード１３２のグループおよびエミッタ１２０の位置に対応するようにカプセル材料１６２によって形成されるレンズ１６４がどのように千鳥配置され或いは他のパターンで配置され得るのかを示している。
【００３９】
図８Ａおよび図８Ｂは、エンコーダパッケージ１７０の１つの実施形態の概略的図解の異なる透視図を示している。特に、図８Ａはエンコーダパッケージ１７０の側面図を示しており、また、図８Ｂはエンコーダパッケージ１７０の端面図を示している。エンコーダパッケージ１７０の実施形態はモータシャフト１７２に結合されたコードホイール１０４を含み、それにより、コードホイール１０４がモータシャフト１７２と共に回転する。エミッタ１２０および検出器１３０は、コードホイール１０４と同じ側で基板１６０上に配置されている。１つの実施形態において、エミッタ１２０および検出器１３０は、ダイの上側に凸レンズ１６４を形成するカプセル材料１６２によって一緒にカプセル封入される。また、図８Ｂは、レンズ１６２が、光をエミッタ１２０からコードホイール１０４へとどのように方向付けるのか、また、光をコードホイール１０４から対応するフォトダイオード１３２へとどのように方向付けるのかを示している。他のタイプのエンコーダが実施されてもよい。
【００４０】
図９は、イメージングエンコーディングシステム１８０の１つの実施形態の概略図を示している。図示のイメージングエンコーディングシステム１８０は、イメージングコーディング要素１８２、例えばイメージングコードホイールまたはストリップを含む。イメージングコードホイール１８２の機能は、イメージングコードホイール１８２が該コードホイール１８２の反対側に加えられる反射性材料１０２を必ずしも有していないという点を除き、前述した反射型コードホイール１０４の機能にほぼ類似している。
【００４１】
ある意味では、インメージングエンコーダ１８４は前述したエンコーダ１０６と同様に作用する。イメージングエンコーダ１８４はエミッタ１８６と検出器１８８とを含む。しかしながら、図２の反射型光学エンコーディングシステム１００とは異なり、イメージングエンコーディングシステム１８０は、光がどのようにしてコードホイール上１８２の非吸収パターンから跳ね返るのかに基づいて、イメージングコードホイール１８２上の異なるトラック部分間を区別する。特に、検出器１８８は、光の反射部分ではなく拡散部分を検出する。イメージングエンコーディングシステム１８０の少なくとも１つの実施形態の更なる詳細は、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第７，１０２，１２３号に記載されている。
【００４２】
図１０は、絶対コードストリップ１９０の１つの実施形態の概略図を示している。コードストリップ１９０の機能は、略直線方向の動きを監視して制限するためにコードストリップ１９０が使用されてもよいという点を除き、前述したコードホイール１０４の機能にほぼ類似している。図示のコードストリップ１９０は７個の直線状のポジショントラック１９８を含む。各ポジショントラック１９８は、ポジション部分である反射部分１９２と非反射部分１９４とを含む。１つの実施形態において、各ポジショントラック１９８内のポジショントラック部分１９２および１９４は略同じ幅寸法を有する。同様に、ポジショントラック部分１９２および１９４は略同じ高さ寸法を有する。他の実施形態において、ポジショントラック部分１９２および１９４は、反射部分および非反射部分ではなくイメージング部分であってもよい。また、他の実施形態のコードストリップ１９０は、複数のポジショントラックまたはインデックストラックを含んでもよい。
【００４３】
１つの実施形態において、ポジショントラック１９８のそれぞれの垂直方向の組み合わせは、固有のデジタル位置出力１９６に対応する。例えば、ポジショントラック１９８の図示された垂直方向（垂直方向の破線間）の組み合わせは、０１０１１１０のデジタル位置出力１９６に対応する。１つの実施形態において、デジタル位置出力１９６の各ビットは、ポジショントラック１９８のうちの１つに対応する。１つの例として、最下位ビット（ＬＳＢ）が最初のポジショントラック１９８0に対応し、最上位ビット（ＭＳＢ）が最後のポジショントラック１９８6に対応する。あるいは、他のビット順序付け及び／又はデジタル変換が実施されてもよい。
【００４４】
前述した光学エンコーダ１０６の実施形態は、形状因子が小さいエンコーダに適している。これにより、例えば表面実装マシンのための細いチップフィーダ内のセンサの場合のように空間が限られている用途で光学エンコーダ１０６を使用することができる。また、光学エンコーダ１０６の実施形態は、エンコーダ組み立ての容易性を高める。
【００４５】
ここでは、方法の動作が特定の順序で図示されて説明されているが、各方法の動作順序は、特定の動作が逆の順序で行なわれてもよいように或いは特定の動作の少なくとも一部が他の動作と同時に行なわれてもよいように変更されてもよい。他の実施形態において、別個の動作の命令またはサブ動作が断続的様式で及び／又は交互の様式で実施されてもよい。
【００４６】
本発明の特定の実施形態を説明して図示してきたが、本発明は、そのように説明されて図示された部品の特定の形態または配置に限定されるべきではない。本発明の範囲は、本明細書に添付された請求項及びそれらの等価物によって規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】従来の透過型光学エンコーダシステムを示している。
【図１Ｂ】従来のマルチビット検出器を示している。
【図２】反射型光学エンコーディングシステムの１つの実施形態の概略回路図を示している。
【図３】反射絶対コードホイールの１つの実施形態の概略図を示している。
【図４】図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは反射型コードホイールの他の実施形態の概略図を示している。
【図５Ａ】回路基板上のエンコーダのレイアウトの１つの実施形態を示している。
【図５Ｂ】エミッタおよびフォトダイオードごとに独立のレンズを有する回路基板上のエンコーダのレイアウトの他の実施形態を示している。
【図６】図５Ａのエンコーダの断面図を示している。
【図７】図６のカプセル材料およびエンコーダの側面図を示している。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、エンコーダパッケージの１つの実施形態の概略的図解の異なる透視図を示している。
【図９】イメージングエンコーディングシステムの１つの実施形態の概略図を示している。
【図１０】絶対コードストリップの１つの実施形態の概略図を示している。
【背景技術】
【０００１】
光学エンコーダは、例えばクランクシャフトなどのシャフトの動きを監視するために使用される。光学エンコーダは、シャフトの位置及び／又は回転数に関してシャフトの動きを監視することができる。光学エンコーダは、システム内で使用されて、厳しいサイズ制限内で高分解能を与える。
【０００２】
光学エンコーダは、一般に、シャフトに取り付けられたコードホイールを使用して、シャフトおよびコードホイールが回転するときに光を変調する。透過型コードホイールでは、光がコードホイール上のトラックの透過部分を通過するときに変調される。透過部分同士は非透過部分によって分離されている。反射型コードホイールでは、光がコードホイール上のトラックの反射部分から反射されるときに変調される。反射部分同士は非反射部分によって分離されている。コードホイールの回転に応じて光が変調されると、変調光を受けるフォトセンサ配列から電気信号の流れが生成される。電気信号は、シャフトの位置及び／又は回転数を決定するために使用される。
【０００３】
図１ａは従来の透過型光学エンコーダシステム１０を示している。光学エンコーダシステム１０はエンコーダ１２と透過型コードホイール１４とを含む。エンコーダ１２はエミッタ１６と検出器１８とを含む。エミッタ１６が光を発し、その光は、コードホイール１４の透過部分を通過して、検出器１８によって検出される。透過型光学エンコーダシステム１０がコードホイール１４の一方側にエミッタ１６を実装し且つコードホイール１４の他方側に検出器１８を実装することを考えると、透過型光学エンコーダシステム１０はかなりの大きさの空間を費やす。
【０００４】
絶対位置を決定するために使用される光学エンコーダは、一般に、望まれる分解能の各ビット毎に別個のトラックを有するコードホイールを有する。例えば、４ビット分解能を有するエンコーダは一般に４つの異なるトラックを使用し、各トラックは対応するフォトセンサを有する。トラックは、異なるトラックからの光がフォトセンサで混ざり合わない十分な距離だけ互いに離間されている。フォトセンサは別個のトラックと位置合わせされる。
【０００５】
図１ｂは従来のマルチビット検出器１８を示している。従来のマルチビット検出器１８はフォトセンサ２０の直線状の配列を含む。フォトセンサ２０は、配列の中心線の近傍で直線状に配置されている。また、検出器１８は、インデックス信号を生成するためのモニタフォトセンサ２２も含む。モニタフォトセンサ２２は配列の他のフォトセンサ２０と位置合わせされる。
【発明の開示】
【０００６】
光学エンコーダの実施形態を説明する。１つの実施形態の反射型光学エンコーダは、反射コーディング要素(reflective coding element)と、複数のエミッタと、検出器とを含む。反射コーディング要素は、反射部分と非反射部分とが交互に配置されて成るトラックを含む。複数のエミッタのそれぞれは、コーディング要素のトラックに対して入射する対応する光信号を生成するように構成されている。検出器は、トラックの反射部分から反射された対応する光信号を検出するように構成されている。１つの実施形態において、検出器は、別個のフォトセンサグループ内に位置される複数のフォトセンサを含み、各フォトセンサグループは複数のエミッタのうちの１つに対応している。
【０００７】
光学エンコーダの幾つかの実施形態では、フォトセンサが検出器の縁部近傍に位置される。幾つかの実施形態は、複数のエミッタと複数のフォトセンサとをカプセル封入するためのカプセル材料を含む。カプセル材料が複数のレンズを形成し、各レンズがフォトセンサグループのうちの１つ及び対応するエミッタと位置合わせされてもよい。また、各レンズは、対応するエミッタからトラックへと光信号を方向付けるとともに、トラックから反射された光信号を対応するフォトセンサグループへと方向付けるように構成されていてもよい。コーディング要素がコードホイールまたはコードストリップであってもよい。
【０００８】
他の実施形態において、光学エンコーダは、コーディング要素のトラックに対して入射する複数の光信号を生成するための手段と、コーディング要素の動きを検出するための手段と、複数の光信号のクロストークを減少させるための手段とを含む。光学エンコーダの他の実施形態についても記載されている。
【０００９】
光学エンコーダ内の１つの実施形態の検出器は、第１のフォトセンサグループと第２のフォトセンサグループとを含む。第１のフォトセンサグループは、検出器の第１の縁部の近傍に位置され、少なくとも１つのフォトセンサを含む。第２のフォトセンサグループは、検出器の反対側の縁部に位置され、少なくとも１つのフォトセンサを含む。検出器の他の実施形態についても記載されている。
【００１０】
本発明の実施形態の他の態様および利点は、本発明の原理の一例として示される添付図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかとなる。
【００１１】
説明の全体にわたって、同様の要素を示すために同様の参照符号が使用されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、反射型光学エンコーディングシステム１００の一実施形態の概略回路図を示している。図示の反射型光学エンコーディングシステム１００は、反射性材料１０２と、コードホイール１０４と、エンコーダ１０６と、マイクロプロセッサ１１０とを含む。一実施形態において、反射性材料１０２は、コードホイール１０４に対して物理的に結合されるコーティングまたは基板である。幾つかの実施形態において、反射性材料１０２の反射面は、エンコーダ１０６に対向するコードホイール１０４に対して結合されている。
【００１３】
コードホイール１０４の更に詳しい説明は図３に示されているが、ここでは、図２に示される反射型光学エンコーディングシステム１００の作用に関して簡単に説明する。一般に、コードホイール１０４は、反射部分１４２と非反射部分１４４とから成る１つ以上のトラック１４０を含む。エンコーダ１０６のエミッタ１２０は、コードホイールトラック１４０に対して入射する光を生成する。例えばモータシャフト（図示せず）によってコードホイール１０４が回転されると、入射光は、トラック１４０の反射部分１４２によって反射されるが、トラック１４０の非反射部分１４４によって反射されない。したがって、光は、変調パターン（すなわち、ｏｎ−ｏｆｆ−ｏｎ−ｏｆｆ……）でトラック１４０により反射される。エンコーダ１０６の検出器１３０は、変調反射光信号を検出し、それに応じて１つ以上の対応する信号を生成する。幾つかの実施形態では、検出器１３０がモニタ信号またはインデックス信号を生成してもよい。その後、これらの信号は、マイクロプロセッサ１１０へ送信される。マイクロプロセッサ１１０は、該信号を使用して、例えばコードホイール１０４が結合されるモータシャフトまたは他の可動部品の動きを評価する。
【００１４】
１つの実施形態において、エンコーダ１０６はエミッタ１２０と検出器１３０とを含む。エミッタ１２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源１２２を含む。便宜上、ここでは光源１２２を１つのＬＥＤとして説明するが、他の光源または複数の光源が設けられてもよい。１つの実施形態において、ＬＥＤ１２２は、電流制限レジスタＲLを介して駆動信号ＶLEDにより駆動される。そのような駆動回路の詳細は周知である。また、幾つかの実施形態のエミッタ１２０は、特定の経路またはパターンで投影光を方向付けるようにＬＥＤ１２２と位置合わせされるレンズ１２４も含んでもよい。例えば、レンズ１２４は、１つ以上のコードホイールトラック１４０上に光を合焦してもよい。
【００１５】
１つの実施形態において、検出器１３０はフォトダイオードなどの１つ以上のフォトセンサ１３２を含む。フォトセンサは例えば集積回路中（ＩＣ）に実装されてもよい。便宜上、ここではフォトセンサ１３２をフォトダイオードとして説明するが、他のタイプのフォトセンサが使用されてもよい。１つの実施形態において、フォトダイオード１３２は、反射光の固有のパターンまたは波長を検出するように独自に構成されている。幾つかの実施形態では、ポジショントラックおよびインデックストラックを含む複数のトラック１４０からの変調反射光信号を検出するために幾つかのフォトダイオード１３２が使用されてもよい。また、フォトダイオード１３２は、コードホイール１０４の半径およびデザインに対応するパターンで配置されてもよい。ここでは、フォトダイオード１３２の様々なパターンをフォトセンサ配列と称する。フォトダイオード１３２によって生成される信号は、デジタル位置情報を生成する信号処理回路１３４によって処理される。１つの実施形態において、信号処理回路は、複数のトラック１４０からの検出信号にしたがってデジタル位置情報を生成するためのポジションロジックを含む。
【００１６】
１つの実施形態において、検出器１３０は、デジタル位置情報を生成するために１つ以上のコンパレータ（図示せず）も含む。例えば、フォトダイオード１３２からのアナログ信号は、コンパレータによってＴＴＬ（transistor-transistor logic）適合デジタル出力信号へ変換されてもよい。１つの実施形態において、これらの出力信号は、変調反射光信号における位置・方向情報を示している。また、検出器１３０は、反射光信号をフォトダイオード１３２へと方向付けるためのレンズ１３６を含んでもよい。
【００１７】
幾つかの実施形態では、エミッタ１２０および１つ以上のフォトダイオード１３２が１つのグループを成して一緒に位置されてもよく、また、エミッタ１２０およびフォトダイオード１３２のために単一のレンズ１３６が使用されてもよい。更に、幾つかの実施形態は、対応するレンズ１３６を伴って或いは伴うことなくエミッタ１２０とフォトダイオード１３２とから成る幾つかのグループを設けてもよい。
【００１８】
１つの実施形態において、反射型光学エンコーディングシステム１００は、絶対位置を決定するための構成要素を含む。例えば、エンコーダ１０６は、当該エンコーダ１０６がパワーアップ時にコードホイール１０４の絶対角度位置を決定できるように、更なるトラック１４０、フォトダイオード１３２、ＬＥＤ１２２、または、他の構成要素を含んでもよい。絶対角度位置は、多くの周知の技術を使用して決定することができる。対応するハードウェアを用いた１つの典型的な技術は、参照により本明細書に組み入れられる「Ｍｕｌｔｉ−ｂｉｔ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｎｃｏｄｅｒ ｗｉｔｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｒａｃｋｓ」と題された２００６年６月２日に出願された米国特許第１１／４４５，６６１号に更に詳しく記載されている。他の典型的な絶対エンコーダは、参照により本明細書に組み入れられる「Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｅｎｃｏｄｅｒ」と題された米国特許第７，１１２，７８１号に更に詳しく記載されている。エミッタ、検出器、および光学エンコーダの更なる詳細は、一般に、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第４，４５１，７３１号、第４，６９１，１０１号、および第５，２４１，１７２号において参照されてもよい。
【００１９】
図３は、絶対コードホイール１０４の１つの実施形態の概略図を示している。特に、図３は、ディスクの形状を成す円形絶対コードホイール１０４の平面図を示している。幾つかの実施形態では、コードホイール１０４がディスクではなくリングの形状を成していてもよい。図示のコードホイール１０４は複数のトラック１４０を含み、これらのトラックはコードホイール１０４と同心の円形トラックであってもよい。例えば、図示のコードホイール１０４は、トラック１４０0（最も外側のトラック）、トラック１４０1、トラック１４０2、トラック１４０3、トラック１４０4、トラック１４０5、トラック１４０6（最も内側のトラック）で示された７個の異なるトラックを含む。
【００２０】
１つの実施形態において、各トラック１４０は、コードホイール１０４を１周にわたって周回する連続繰り返しパターンを含む。各トラック１４０の図示のパターンは反射部分１４２と非反射部分１４４とを交互に含むが、他のパターンが実施されてもよい。これらの反射部分１４２および非反射部分１４４はポジション部分とも称される。１つの実施形態において、コードホイール１０４の反射部分１４２はコードホイール１０４の反射スポークであり、非反射部分１４４は透明窓または空隙である（窓または空隙の反対側に反射コーティング１０２を伴わない）。本実施形態では、コードホイール１０４全体の表面近くに反射性材料１０２が加えられてもよい。本実施形態が図４Ａに示されている。
【００２１】
他の実施形態では、コードホイール１０４の裏面が光沢ニッケル（Ｎｉ）またはクロムなどの反射性材料１０２でコーティングされてもよく、また、反射性材料１０２に対して非反射トラックパターンを適用することができる。非反射パターンは、コードホイール１０４上の反射表面に対してシルクスクリーン印刷され、スタンプ印刷され、インクジェット印刷され、あるいは、直接に加えられてもよい。あるいは、非反射パターンは、例えば射出成形、ダイカッティング、打ち抜き（例えばフィルム）によって、または、その上に不透明スポークを有する非反射要素を形成することによって別個の部分として形成されてもよい。本実施形態が図４Ｂに示されている。
【００２２】
他の実施形態において、反射部分１４２は、コードホイール１０４の反対側に反射コーティング１０２を有するコードホイール１０４の透明部分である。本実施形態において、非反射部分１４４は、それらがＬＥＤ１２２からの光を吸収するように不透明であってもよい。本実施形態が図４Ｃに示されている。
【００２３】
また、幾つかの実施形態では、円形コードホイール１０４を、円形ではないコーディング要素と置き換えることができることに留意すべきである。例えば、コードストリップなどのリニアコーディング要素が使用されてもよい。他の実施形態では、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第５，０１７，７７６号に記載されるように、スパイラルバーパタ−ンを伴う円形コーディング要素が使用されてもよい。あるいは、様々な形状のコーディング要素において他の光変調パターンが実施されてもよい。
【００２４】
前述したように、コードホイール１０４の回転、したがってトラック１４０の回転は、検出器１３０において反射光信号の変調をもたらし、それにより、コードホイール１０４の角度位置に対応する絶対位置信号が生成される。このため、トラック１４０がポジショントラックと称されてもよい。他の実施形態のコードホイール１０４は、当分野で周知のように、更なるポジショントラックなどの他のトラックを含んでもよい。
【００２５】
１つの実施形態において、ポジショントラック１４０のそれぞれの径方向の組み合わせ（例えば、コードホイール１０４の半径に沿ってとられる組み合わせ）は、固有のデジタル位置出力１４６に対応する。例えば、ポジショントラック１４０の図示された径方向（径方向の破線間）の組み合わせは、１１０１０１０のデジタル位置出力１４６に対応する。１つの実施形態において、デジタル位置出力１４６の各ビットは、ポジショントラック１４０のうちの１つに対応する。１つの例として、最下位ビット（ＬＳＢ）が最初のポジショントラック１４０0に対応し、最上位ビット（ＭＳＢ）が最後のポジショントラック１４０6に対応する。あるいは、他のビット順序付けが実施されてもよい。また、デジタルハイ信号およびロー信号を指定するために取り決めが成されてもよい。例えば、非反射部分１４４がデジタルロー信号「０」に対応し、反射部分１４２がデジタルハイ信号「１」に対応する。あるいは、他のデジタル取り決めが使用されてもよい。
【００２６】
図示の実施形態において、各トラック１４０内のポジショントラック部分１４２および１４４は同じ周方向寸法（幅寸法とも称する）を有する。すなわち、第１（最も外側）のポジショントラック１４０0における中間の非反射トラック部分１４４は、第１のポジショントラック１４０0における反射トラック部分１４２と同じ幅寸法を有する。同様に、第２のポジショントラック１４０1における反射トラック部分および非反射トラック部分１４２および１４４は等しい幅寸法（この図示の実施形態では、ポジショントラックにおける第１のポジショントラック１４０0のトラック部分１４２および１４４の幅の２倍）を有する。コードホイール１０４の各ポジショントラック１４０の分解能は、ポジショントラック部分１４２および１４４の幅寸法の関数である。１つの実施形態において、非反射トラック部分１４４の幅寸法は、連続する反射光パルス間の検出可能なギャップを生成するために必要な面積量の関数である。また、ポジショントラック１４０は径方向寸法すなわち高さ寸法も有する。
【００２７】
図示のポジショントラック１４０およびポジション部分１４２および１４４に加えて、コードホイール１０４はインデックストラックまたはモニタトラック１５０を含んでもよい。インデックストラックおよびモニタトラックは周知のため、これ以上詳しく説明しない。
【００２８】
図５Ａは、回路基板１６０上のエンコーダ１０６のレイアウトの１つの実施形態を示している。特に、図５Ａは１３ビット反射型エンコーダ１０６の一実施形態を示している。これは、検出器１３０が１３個のフォトダイオード１３２を含むからである（しかしながら、他のエンコーダ１０６および検出器１３０はこれよりも少ない或いは多いビットを有していてもよい）。１つの実施形態において、回路基板１６０は、エミッタ１２０と検出器１３０とを含むエンコーダ１０６を実装するために使用される。幾つかの典型的なタイプの回路基板１６０は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、フレキシブル回路、リードフレーム、インサート成形されたリードフレーム、ガラス基板、セラミック基板、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）などを含むが、これらに限定されない。あるいは、他のタイプの回路基板１６０が使用されてもよい。幾つかの実施形態では、他の回路が回路基板１６０上に実装されてもよい。しかしながら、幾つかの実施形態では、光学エンコーダ１０６の厚さを小さく維持するために、回路基板１６０に実装される回路の量が制限されてもよい。
【００２９】
フォトダイオード１３２は、破線の円で示されるように、複数のグループを成して配置されている。より一般的には、該グループ分けは、フォトダイオードまたはフォトセンサグループ化とも称される。各グループは、少なくとも１つのフォトダイオード１３２と対応するエミッタ１２０とを含む。１つの実施形態において、フォトダイオード１３２の数はコードホイール１０４上のトラック１４０および１５０の数に対応している。また、フォトダイオード１３２の数は、エンコーダ１０６によって出力されるビットの数を決定してもよい。１つの実施形態において、１つのグループは、エミッタ１２０と、インデックストラック１５０と位置合わせされるモニタフォトダイオードとして使用するための単一のフォトダイオード１３２とを含んでもよい。
【００３０】
１つの実施形態において、フォトダイオード１３２は、エミッタ１２０のＬＥＤ１２２と検出器１３０のフォトダイオード１３２との間のほぼ中心線で光がコードホイール１０４に対して入射し且つコードホイール１０４から反射されるように配置される。エミッタ１２０および検出器１３０を実装するために様々な方法が使用されてもよい。１つの実施形態では、チップオンボード技術を使用してエミッタ１２０および検出器１３０が実装されてもよい。あるいは、エミッタ１２０および検出器１３０は、離散移送成形されたエミッタ−検出器パッケージとして実装されてもよい。１つの実施形態において、エミッタ１２０および検出器１３０は、特定の厚さの光学エンコーダ１０６を得るために、むき出しのダイとして回路基板１６０上に取り付けられてもよい。このようにすれば、エミッタ１２０および検出器１３０を互いに近接してダイ取り付けして、光パワーの損失の可能性を減らすことができ或いは最小限に抑えることができる。あるいは、エミッタ１２０および検出器１３０の実装により、エンコーダ１０６とコードホイール１０４との間の隙間を小さくできてもよい。エンコーダ１０６とコードホイール１０４との間の隙間は、カプセル材料があるとすれば、エンコーダ１０６の一部または全てをカプセル封入するために、カプセル材料の使用に依存していてもよい。
【００３１】
幾つかの実施形態では、フォトダイオード１３２が検出器１３０のほぼ縁部に位置される。例えば、図示のエンコーダ１０６は、検出器１３０の第１の縁部に３つのグループを成して位置される８個のフォトダイオード１３２を含み、検出器１３０の反対側の縁部に３つのグループを成して位置される６個のフォトダイオード１３２を含む。幾つかの実施形態では、フォトダイオード１３２を別個のエミッタ１２０と共にグループ分けすると、複数の光源に起因するクロストークを低減するのに役立つ。また、前述したように光学レンズを使用して、そのようなクロストークを低減してもよい。
【００３２】
また、各グループのフォトダイオード１３２がコードホイール１０４の径方向のラインに沿って位置され、それにより、エンコーダ１０６がコードホイール１０４と共に組み付けられる際に１つのグループ内のフォトダイオード１３２がコードホイール１０４の半径を辿るようになっていてもよい。例えば、フォトダイオード１３２の第１のグループがコードホイール１０４の第１の径方向ラインに沿って位置されてもよく、また、フォトダイオード１３２の第２のグループがコードホイール１０４の第２の径方向ラインに沿って位置されてもよい。第１のグループは、検出器１３０の第１の縁部に対してゼロでない第１の角度を成して配置されてもよく、また、第２のグループは、検出器１３０の反対側の縁部に対してゼロでない第２の角度を成して配置されてもよい。このようにすれば、エンコーダ１０６がコードホイール１０４と共に組み付けられる際に、コードホイール１０４の径方向ラインに応じた固有の角度でフォトダイオード１３２の各グループを位置させることができる。
【００３３】
フォトダイオード１３２の幾何学的寸法は、トラック１４０のトラック部分１４２および１４４の対応する光学的サイズを基準としてもよいことに留意すべきである。例えば、光学倍率は、フォトダイオード１３２およびトラック部分１４２および１４４のサイズと光学的に適合するように使用されてもよい。１つの実施形態では、光学倍率が２ｘであり、それにより、幾何学的に更に小さいコードホイール１０４がフォトダイオード１３２の更に大きな配列に対して光学的に適合される。この光学倍率は、前述したように光学レンズを使用することによって得られてもよい。
【００３４】
また、複数のフォトダイオード１３２がトラック１４０毎に使用されてもよいことに留意すべきである。１つの実施形態において、単一のトラック１４０におけるフォトダーオード１３２の各組からの信号は、互いに平均化されてもよく、あるいは、フォトダイオード１３２の対応する各組毎に単一の出力信号をもたらしてもよい。
【００３５】
図５Ｂは、エミッタ１２０およびフォトダイオード１３２ごとに独立のレンズを有する回路基板１６０上のエンコーダ１０６’のレイアウトの他の実施形態を示している。光学レンズの実施形態について更に詳しく説明するが、図５Ｂは、フォトダイオード１３２の各グループ毎に複数の光学レンズを実装できることを示唆するために破線円を示している。他の実施形態では、光学レンズを伴う他のグループ分けを成してフォトダイオード１３２がグループ化されてもよく（例えば、１つのフォトダイオード１３２ごとに１つのレンズ）、あるいは、エンコーダ１０６’がレンズを何ら伴うことなく実装されてもよい。
【００３６】
図６は、図５Ａのエンコーダ１０６の断面図を示している。前述した構成要素（破線で示されている）に加えて、図６は、エミッタ１２０とフォトダイオード１３２を含む検出器１３０とをカプセル封入するカプセル材料１６２も示している。カプセル材料１６２の１つの例はエポキシであるが、他のタイプのカプセル材料が使用されてもよい。つまり、エンコーダ１０６をパッケージングするためにカプセル材料１６２が使用されてもよい。
【００３７】
幾つかの実施形態では、カプセル材料１６２が１つ以上の光学レンズ１６２を形成してもよい。光学レンズ１６２は、フォトダイオード１３２の個々のグループと位置合わせされてもよい。このようにしてエミッタ１２０とフォトダイオード１３２とレンズ１６２とを位置合わせすると、レンズ１６２は、対応するエミッタ１２０からコードホイール１０４へと光を方向付けることができるとともに、コードホイール１０４から対応するフォトダイオード１３２へと光を方向付けることができる。他の実施形態では、カプセル材料１６２から個別にレンズ１６２が形成されてもよい。
【００３８】
図７は、図６のカプセル材料１６２およびエンコーダ１０６の側面図を示している。エンコーダ１０６の内部構成要素は図示されていないが、図７は、フォトダイオード１３２のグループおよびエミッタ１２０の位置に対応するようにカプセル材料１６２によって形成されるレンズ１６４がどのように千鳥配置され或いは他のパターンで配置され得るのかを示している。
【００３９】
図８Ａおよび図８Ｂは、エンコーダパッケージ１７０の１つの実施形態の概略的図解の異なる透視図を示している。特に、図８Ａはエンコーダパッケージ１７０の側面図を示しており、また、図８Ｂはエンコーダパッケージ１７０の端面図を示している。エンコーダパッケージ１７０の実施形態はモータシャフト１７２に結合されたコードホイール１０４を含み、それにより、コードホイール１０４がモータシャフト１７２と共に回転する。エミッタ１２０および検出器１３０は、コードホイール１０４と同じ側で基板１６０上に配置されている。１つの実施形態において、エミッタ１２０および検出器１３０は、ダイの上側に凸レンズ１６４を形成するカプセル材料１６２によって一緒にカプセル封入される。また、図８Ｂは、レンズ１６２が、光をエミッタ１２０からコードホイール１０４へとどのように方向付けるのか、また、光をコードホイール１０４から対応するフォトダイオード１３２へとどのように方向付けるのかを示している。他のタイプのエンコーダが実施されてもよい。
【００４０】
図９は、イメージングエンコーディングシステム１８０の１つの実施形態の概略図を示している。図示のイメージングエンコーディングシステム１８０は、イメージングコーディング要素１８２、例えばイメージングコードホイールまたはストリップを含む。イメージングコードホイール１８２の機能は、イメージングコードホイール１８２が該コードホイール１８２の反対側に加えられる反射性材料１０２を必ずしも有していないという点を除き、前述した反射型コードホイール１０４の機能にほぼ類似している。
【００４１】
ある意味では、インメージングエンコーダ１８４は前述したエンコーダ１０６と同様に作用する。イメージングエンコーダ１８４はエミッタ１８６と検出器１８８とを含む。しかしながら、図２の反射型光学エンコーディングシステム１００とは異なり、イメージングエンコーディングシステム１８０は、光がどのようにしてコードホイール上１８２の非吸収パターンから跳ね返るのかに基づいて、イメージングコードホイール１８２上の異なるトラック部分間を区別する。特に、検出器１８８は、光の反射部分ではなく拡散部分を検出する。イメージングエンコーディングシステム１８０の少なくとも１つの実施形態の更なる詳細は、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第７，１０２，１２３号に記載されている。
【００４２】
図１０は、絶対コードストリップ１９０の１つの実施形態の概略図を示している。コードストリップ１９０の機能は、略直線方向の動きを監視して制限するためにコードストリップ１９０が使用されてもよいという点を除き、前述したコードホイール１０４の機能にほぼ類似している。図示のコードストリップ１９０は７個の直線状のポジショントラック１９８を含む。各ポジショントラック１９８は、ポジション部分である反射部分１９２と非反射部分１９４とを含む。１つの実施形態において、各ポジショントラック１９８内のポジショントラック部分１９２および１９４は略同じ幅寸法を有する。同様に、ポジショントラック部分１９２および１９４は略同じ高さ寸法を有する。他の実施形態において、ポジショントラック部分１９２および１９４は、反射部分および非反射部分ではなくイメージング部分であってもよい。また、他の実施形態のコードストリップ１９０は、複数のポジショントラックまたはインデックストラックを含んでもよい。
【００４３】
１つの実施形態において、ポジショントラック１９８のそれぞれの垂直方向の組み合わせは、固有のデジタル位置出力１９６に対応する。例えば、ポジショントラック１９８の図示された垂直方向（垂直方向の破線間）の組み合わせは、０１０１１１０のデジタル位置出力１９６に対応する。１つの実施形態において、デジタル位置出力１９６の各ビットは、ポジショントラック１９８のうちの１つに対応する。１つの例として、最下位ビット（ＬＳＢ）が最初のポジショントラック１９８0に対応し、最上位ビット（ＭＳＢ）が最後のポジショントラック１９８6に対応する。あるいは、他のビット順序付け及び／又はデジタル変換が実施されてもよい。
【００４４】
前述した光学エンコーダ１０６の実施形態は、形状因子が小さいエンコーダに適している。これにより、例えば表面実装マシンのための細いチップフィーダ内のセンサの場合のように空間が限られている用途で光学エンコーダ１０６を使用することができる。また、光学エンコーダ１０６の実施形態は、エンコーダ組み立ての容易性を高める。
【００４５】
ここでは、方法の動作が特定の順序で図示されて説明されているが、各方法の動作順序は、特定の動作が逆の順序で行なわれてもよいように或いは特定の動作の少なくとも一部が他の動作と同時に行なわれてもよいように変更されてもよい。他の実施形態において、別個の動作の命令またはサブ動作が断続的様式で及び／又は交互の様式で実施されてもよい。
【００４６】
本発明の特定の実施形態を説明して図示してきたが、本発明は、そのように説明されて図示された部品の特定の形態または配置に限定されるべきではない。本発明の範囲は、本明細書に添付された請求項及びそれらの等価物によって規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】従来の透過型光学エンコーダシステムを示している。
【図１Ｂ】従来のマルチビット検出器を示している。
【図２】反射型光学エンコーディングシステムの１つの実施形態の概略回路図を示している。
【図３】反射絶対コードホイールの１つの実施形態の概略図を示している。
【図４】図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは反射型コードホイールの他の実施形態の概略図を示している。
【図５Ａ】回路基板上のエンコーダのレイアウトの１つの実施形態を示している。
【図５Ｂ】エミッタおよびフォトダイオードごとに独立のレンズを有する回路基板上のエンコーダのレイアウトの他の実施形態を示している。
【図６】図５Ａのエンコーダの断面図を示している。
【図７】図６のカプセル材料およびエンコーダの側面図を示している。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、エンコーダパッケージの１つの実施形態の概略的図解の異なる透視図を示している。
【図９】イメージングエンコーディングシステムの１つの実施形態の概略図を示している。
【図１０】絶対コードストリップの１つの実施形態の概略図を示している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射部分と非反射部分とが交互に配置されて成るトラックを備える反射コーディング要素と、
前記コーディング要素のトラックに対して入射する対応する光信号を生成するように構成された複数のエミッタと、
トラックの反射部分から反射された対応する光信号を検出するように構成されるとともに、別個のフォトセンサグループ内に位置される複数のフォトセンサを備え、各フォトセンサグループが複数のエミッタのうちの１つに対応する検出器と、
を備える反射型光学エンコーダ。
【請求項２】
複数のフォトセンサが検出器の縁部近傍に位置される、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項３】
複数のエミッタと複数のフォトセンサとをカプセル封入するためのカプセル材料を更に備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項４】
カプセル材料が複数のレンズを形成し、各レンズがフォトセンサグループのうちの１つ及び対応するエミッタと位置合わせされる、請求項３に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項５】
各レンズは、対応するエミッタからトラックへと光信号を方向付けるとともに、トラックから反射された光信号を対応するフォトセンサグループへと方向付けるように構成されている、請求項４に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項６】
コーディング要素がコードホイールを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項７】
コーディング要素がコードストリップを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項８】
別個のフォトセンサグループのうちの少なくとも１つが単一のフォトセンサを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項９】
単一のフォトセンサがモニタフォトセンサを備える、請求項８に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項１０】
別個のフォトセンサグループのうちの少なくとも１つが１つより多いフォトセンサを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項１１】
コーディング要素のトラックであってコーディング部分を備える前記トラックに対して入射する複数の光信号を生成する手段と、
コーディング要素の動きを検出する手段と、
複数の光信号のクロストークを減少させる手段と、
を備える光学エンコーダ。
【請求項１２】
光学エンコーダをカプセル封入する手段を更に備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１３】
光信号をトラックへ方向付け、反射された光信号を前記検出手段へ方向付ける手段を更に備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１４】
コーディング要素が反射コーディング要素を備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１５】
コーディング要素がイメージングコーディング要素を備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１６】
光学エンコーダ内の検出器であって、
検出器の第１の縁部の近傍に位置されるとともに、少なくとも１つのフォトセンサを備える第１のフォトセンサグループと、
検出器の反対側の縁部に位置されるとともに、少なくとも１つのフォトセンサを備える第２のフォトセンサグループと、
を備える検出器。
【請求項１７】
第１および第２のフォトセンサグループは、第１および第２のエミッタと位置合わせするように位置決めされる、請求項１６に記載の検出器。
【請求項１８】
第１および第２のフォトセンサグループは、第１および第２の光学レンズと位置合わせするように位置決めされる、請求項１７に記載の検出器。
【請求項１９】
第１および第２のフォトセンサグループが異なる数のフォトセンサを備える、請求項１６に記載の検出器。
【請求項２０】
コーディング要素がコードホイールを備え、第１のフォトセンサグループが検出器の第１の縁部に対してゼロでない第１の角度を成してコードホイールの第１の径方向ラインに沿って位置され、第２のフォトセンサグループが検出器の反対側の縁部に対してゼロでない第２の角度を成してコードホイールの第２の径方向ラインに沿って位置される、請求項１６に記載の検出器。
【請求項１】
反射部分と非反射部分とが交互に配置されて成るトラックを備える反射コーディング要素と、
前記コーディング要素のトラックに対して入射する対応する光信号を生成するように構成された複数のエミッタと、
トラックの反射部分から反射された対応する光信号を検出するように構成されるとともに、別個のフォトセンサグループ内に位置される複数のフォトセンサを備え、各フォトセンサグループが複数のエミッタのうちの１つに対応する検出器と、
を備える反射型光学エンコーダ。
【請求項２】
複数のフォトセンサが検出器の縁部近傍に位置される、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項３】
複数のエミッタと複数のフォトセンサとをカプセル封入するためのカプセル材料を更に備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項４】
カプセル材料が複数のレンズを形成し、各レンズがフォトセンサグループのうちの１つ及び対応するエミッタと位置合わせされる、請求項３に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項５】
各レンズは、対応するエミッタからトラックへと光信号を方向付けるとともに、トラックから反射された光信号を対応するフォトセンサグループへと方向付けるように構成されている、請求項４に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項６】
コーディング要素がコードホイールを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項７】
コーディング要素がコードストリップを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項８】
別個のフォトセンサグループのうちの少なくとも１つが単一のフォトセンサを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項９】
単一のフォトセンサがモニタフォトセンサを備える、請求項８に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項１０】
別個のフォトセンサグループのうちの少なくとも１つが１つより多いフォトセンサを備える、請求項１に記載の反射型光学エンコーダ。
【請求項１１】
コーディング要素のトラックであってコーディング部分を備える前記トラックに対して入射する複数の光信号を生成する手段と、
コーディング要素の動きを検出する手段と、
複数の光信号のクロストークを減少させる手段と、
を備える光学エンコーダ。
【請求項１２】
光学エンコーダをカプセル封入する手段を更に備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１３】
光信号をトラックへ方向付け、反射された光信号を前記検出手段へ方向付ける手段を更に備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１４】
コーディング要素が反射コーディング要素を備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１５】
コーディング要素がイメージングコーディング要素を備える、請求項１１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１６】
光学エンコーダ内の検出器であって、
検出器の第１の縁部の近傍に位置されるとともに、少なくとも１つのフォトセンサを備える第１のフォトセンサグループと、
検出器の反対側の縁部に位置されるとともに、少なくとも１つのフォトセンサを備える第２のフォトセンサグループと、
を備える検出器。
【請求項１７】
第１および第２のフォトセンサグループは、第１および第２のエミッタと位置合わせするように位置決めされる、請求項１６に記載の検出器。
【請求項１８】
第１および第２のフォトセンサグループは、第１および第２の光学レンズと位置合わせするように位置決めされる、請求項１７に記載の検出器。
【請求項１９】
第１および第２のフォトセンサグループが異なる数のフォトセンサを備える、請求項１６に記載の検出器。
【請求項２０】
コーディング要素がコードホイールを備え、第１のフォトセンサグループが検出器の第１の縁部に対してゼロでない第１の角度を成してコードホイールの第１の径方向ラインに沿って位置され、第２のフォトセンサグループが検出器の反対側の縁部に対してゼロでない第２の角度を成してコードホイールの第２の径方向ラインに沿って位置される、請求項１６に記載の検出器。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１７０４３６（Ｐ２００８−１７０４３６Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００７−３３８５５８（Ｐ２００７−３３８５５８）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（５０６２００１８６）アバゴ・テクノロジーズ・イーシービーユー・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド (154)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３８５５８（Ｐ２００７−３３８５５８）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（５０６２００１８６）アバゴ・テクノロジーズ・イーシービーユー・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド (154)
【Ｆターム（参考）】
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