JP3203643B2

JP3203643B2 - 反射式エンコーダ

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Publication number: JP3203643B2
Application number: JP05979790A
Authority: JP
Inventors: ビクター・ディ・ローウエン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1989-03-10
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 2001-08-27
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: EP0386929B1; DE69028865T2; DE69028865D1; EP0386929A3; DE69028865T3; EP0386929B2; US4952799A; JPH02278121A; EP0386929A2

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は軸の角位置または運動を表わす電気信号を発
生する光学的軸角エンコーダに関する。特に、すべての
測定を回転輪（ホイール）の同じ面で行うことができる
ように反射式エンコーダホイールを採用し、これにより
電気接続を行う上での困難を軽減することができるエン
コーダに関する。

〔従来技術およびその問題点〕

歩進式（インクリメンタル）光学的運動エンコーダは
軸の位置を決定し、または軸の回転を測定するのに使用
される。模範的な軸角度エンコーダは、たとえば、米国
特許第4,451,731号および第4,691,101号から知られる。
このようなエンコーダは、光ビームを放射する光源、軸
の回転に応じて光ビームを変調するエンコーダホイー
ル、および変調光を受けて検出器が受けた光の量を表わ
す電気信号を発生する検出器アセンブリを備えている。

軸の回転に応じて光が変調されるにつれて、検出器ア
センブリからの各電気信号は波形を発生する。軸の位置
から各信号のその特定の波形上の位置、すなわち、各信
号の位相が決まる。したがって検出器からの電気信号を
軸の回転を表わすのに使用することができる。別々の検
出器からの、適当に位置のずれた二つ以上の信号を使用
して回転の方向と大きさとの双方を表わすことができ
る。

典型的な軸角エンコーダは照明（照明光。イルミネー
ション）を通す複数の透明な窓がある不透明なホイール
を備えている。最も簡単な実施例では、光源はホイール
の一方の面に隣接して設けられている。検出器はホイー
ルの反対の面に設置されているのでホイールが回輪する
につれて、発光器からの光は交互に窓を通して光検出器
に送られたり、ホイールの不透明で隠されたりする。こ
のような装置には、特に比較的に廉価なエンコーダが欲
しいとき、多数の欠点が存在する。

この欠点の多くは発光器をホイールの一方の側に設
け、光検出器をホイールの反対の側に設けることから生
ずる可能性がある。このことは電気接続を行わなければ
ならない二つの基板が存在するということを意味する。
二つの基板を設けると所定の精度を得るのに構成要素の
位置決めや位置合せが複雑になる。このような位置決め
や位置合せはすべてエンコーダの原価をかなり上昇させ
る。

更に、精度および高いコントラストを得るには、普
通、光源に対してコリメーティング光学系を採用する必
要がある。これはアセンブリの位置合せのとき複雑さや
困難さの原因を増すと共にエンコーダのサイズを大きく
する。最近では、一般的に小さいサイズが要求される傾
向にある。

それ故、発光器と光検出器とを一つの基板に取付ける
ことができる軸角エンコーダを製作するのが望ましい。

〔解決しようとする問題点および解決手段〕

本発明は、上記した問題点を解決するためなされたも
のであり、ホイールの周りの円周経路内に交互に複数の
反射性領域および非反射性領域を有する回転可能なコー
ドホイールを備えた軸角度エンコーダが提供される。発
光ダイオードのような手段が設けられていて反射性領域
を照明（照射）する。複数の光検出器がコードホイール
の発光ダイオードと同じ側に整列され、コードホイール
の反射性領域から直接反射される光を受ける。これによ
りコードホイールの位置を示す複数の電気信号が発生す
る。

〔実施例〕

本発明の原理にしたがって構成された実施例に係る軸
角度エンコーダは不透明な正方形のハウジング10に内蔵
されており、このハウジングの一方の面を通して軸11が
延びている。軸はエンコーダをパネルなどに取付けるこ
とができるようにするねじ切り部（ねじ山の設けられた
部分。threadedportion）12を通してハウジングに入
る。軸の他端13はハウジングを閉じている背面板14にあ
る軸受ソケットに嵌入している。軸は広範多様などんな
装置によっても回転させることができ、または人手で回
転させることができる。

丸いハブ16が、該ハブを軸と共に確実に回転させるよ
うにするスプライン17を備えた軸の一部に取り付けられ
ている。添付図面の第１図において、中心線の左のハブ
の部分を側面図で示してあり、中心線の右ではハブの断
面図を示してある。コードホイール18は、ハブに対して
堅く保持され、ハブは軸に摩擦係合する円錐形リーフ
（leaves）21を有する伝統的なばね保持クリップ19によ
り軸に保持されている。コードホイール18は、非常に薄
く（たとえば、50マイクロメートル）、単に図示の目的
で厚さを幾分誇張して描いてある。尺度の概念を示す
と、コードホイールの直径は実施例では13ミリメートル
よりわずかに大きくなっている。

ハブ16のコードホイール18に面している方と反対側に
は、ハウジングの内側に対して支持され、もどり止め
（detent）ボール23をハブ背面に向けて付勢（バイア
ス）する、概形が円形のもどり止めばね22がある。円周
方向に帯状に配列された複数の穴24がホイールの後ろに
は形成されていて、ボールと係合し、ホイール回転の触
診可能な（tangible）インジケーションを与える。もど
り止めボールは、ハブをもどり止め穴に対応する複数の
位置のどれかに軽く拘束するのにも役立つ。かかる構成
は、軸がダイアルに結合される場合など、人手で調節す
ることがある場合に適当である。このようなもどり止め
は他の実施例では必ずしも必要とされない。

印刷回路板26は背面板に取付けられ、ハウジングの外
側に置かれている。印刷回路板の伝統的なコネクタには
回路板に実装された部品に電気接続する複数のピン27が
ある。幾らかのデータ処理をハウジング内部で行うとき
にはこのようなピンは４本で充分である。集積回路光検
出器基板28および発光ダイオード（LED）29はコードホ
イールの周囲に近い位置で印刷回路板に取付けられてい
る。LEDおよび光検出器の基板は正方形のハウジングの
平らな面のうち軸の周りに45゜の範囲で設置されており
印刷回路板上にこれらコンポーネントとは別の空間を用
意するようにしている。

この実施例において、コードホイールには、発光器お
よび光検出器の基板に対向して、反射性の高い面があ
る。反射性とは、その面が、光を拡散反射ではなく鏡面
反射するような平滑面であることをいう。本質的に台形
の窓31が複数配列された円周状に延びる帯がコードホイ
ールを通してエッチされている。隣接する窓の間の反射
性領域32の幅は窓の幅と実質上同じである。窓の帯はハ
ブの前面に形成された円錐形の溝33の上に設けられてい
る。したがって、コードホイールを通して窓の帯の後に
あるハブの部分にはコードホイールの反射面とは平行で
ない表面がある。したがって、このような窓を通る光
は、全部ではないとしても、コードホイールの面から鏡
面反射する光とは異なる方向に反射することになる。こ
のため、窓は窓と窓との間の反射性領域32の間の非反射
性領域と見なされる。

光をコードホイールから鏡面反射とは異なる方向に反
射する代りに、コードホイールの非反射性領域を拡散反
射器または吸収器（アブソープション）とすることがで
きる。たとえば、吸収域は、単色光を吸収する四分の一
波長層で形成することができる。代りに、ハブおよびコ
ードホイールを射出成形プラスチックによるなどして一
体にすることができる。この形式のコードホイールには
反射光に対してコードホイールの平らな面からの反射と
は異なる方向に傾いた凹み領域がある。この凹みは、本
発明の目的では、非反射性の区域を画定する。このよう
な構成では、コードホイール／ハブの全面を、非反射性
領域を反射性領域の間になお散在させておきながら、反
射性領域からの鏡面反射を良好にするように、メタライ
ズすることができる。また、反射性領域を、発光器から
の光を光検出器の一層小さな面積に集中させるよう、平
らな代りに曲げることもできる。このような曲面も滑ら
かなときは鏡面反射器とすることができる。

このように、本明細書では、反射性領域は発光器から
の光を光検出器に鏡面反射する区域と見なされ、非反射
性領域は、発光器から「非反射性」領域に入射する光が
どこかで吸収されるかまたは反射されるかには関係な
く、そのように反射しない区域と見なされる。

LEDおよび光検出器の基板は印刷回路板上の接地用途
パッド35に取付けられる。LED29は軸の中心軸から、複
数の光検出器領域ｗ、ｘ、ｙ、ｚが形成されている集積
回路チップ28より小さい半径方向距離のところに設置さ
れている。LEDは軸の中心軸から半径方向に延びる線
（ライン。線状体）37から実質上単色の光を放射する伝
統的なLEDである。第３図に示すように、線37の幅は実
用上の実施例において必らず備えなければならないのと
同じ幅である。事実上、この線は半径方向に並べられた
光の点源である。本実施例では、LEDの発光線の幅は約6
4マイクロメートル、長さは320マイクロメートルであ
る。

集積回路のチップには軸の中心軸から放射状に整列し
た４個の細長いフォトダイオードｗ、ｘ、ｙ、ｚがあ
る。各フォトダイオードの間の領域に、および最外側の
フェトダイオードｘ、ｚの外側に、周知の絶縁層または
障壁に短絡されたダミーのドープ領域38があり、フォト
ダイオードへの、およびフォトダイオード間の洩れ電流
を極力少くしている。

隣接フォトダイオード間の距離はLEDの発光線37の幅
と同じである。これは被照明域の「非鋭（non−shar
p）」縁（エッジ）を補償するのに役立ち、フォトダイ
オードからの暗電流を極力少くしてコントラストを高め
る。

集積回路チップ28はまた２個の比較器または演算増幅
器41を備えた周知のものでよい信号回路39（第６図に概
略的に示してある）を備えている。LEDの負荷抵抗器42
は基板に隣接する印刷回路板に取付けられている。他の
個々の回路要素、ワイヤ・ボンド・パッド、および電気
接続は明瞭にするため省略してある。

４個のフォトダイオードからの信号はマーク・ジー・
レオナードによる米国特許第4,691,101号（特開昭61−2
92016号）に記してあるのと実質上同じ仕方で処理され
る。フォトダイオードからの四つの信号は演算増幅器41
により比較され、軸の位置または運動を決定することが
できる２チャンネルの出力論理を発生する。

図示した実施例では、ホイールの周りの円周方向経路
に32の反射性領域を有するコードホイールに好適な４個
の光検出領域がある。反射性領域の数が更に多い他の実
施例では、４個のフォトダイオードのサイクルを１サイ
クルより多くすることが望ましい。たとえば、コードホ
イールに反射性領域が64ある実施例では、レオナードの
特許に記されているように方形に（in quadrature）に
接続された８個の光検出器領域を採用するのが望まし
い。更に、反射性領域が120あるコードホイールの場合
には、４個の光検出器領域の３サイクルすなわち全部で
12を採用するのが望ましい。

LEDの発光線37はフォトダイオードｗ、ｘ、ｙ、ｚの
アレイを２等分する方向にある。コード回転軸上に交互
に反射性および非反射性の区域を作っている円周方向の
径路は軸から半径方向にLEDと光検出器との間の中間の
ところに存在する。したがって、コードホイール上の反
射性領域を射すLEDから放射された光は反射して光検出
器を照明する。光検出器は軸の中心軸からLEDより更に
遠くにあって光検出器を形成するのに利用できる区域が
より大きくなるようにするのが好ましい。

このような照明の一般的パターンを第４図から第６図
までに破線で概略示してあるが、これでは照明が点源か
ら始まっていると仮定している（線源は、実際上は点源
の列である）。第４図は半径方向平面内の照明を示して
いるが、第５図は、円周方向の照明を示している。

図面から明らかになるはずの一つの事柄は４個の光検
出器領域はコードホイール上の１反射性領域および１非
反射性領域の各サイクルの幅の約２倍を持っているとい
うことである。コリメート光およびレオナードの特許に
記されている測定技法を採用しているエンコーダでは、
１検出器サイクル（４個の光検出器）の幅はコードホイ
ールの１サイクルと同じである。

ここに提供する反射式エンコーダで、光は光源から反
射性領域に向って発散する。この光は入射角で反射し、
実質上同じ距離を進んで光検出器に戻る。したがって、
光は発散し続け、被照明域（第５図に参照数字36で示し
てある）は反射性区域の２倍の幅がある。したがって、
レオナードの特許の場合と同じにエンコードするには、
４個の検出器の完全サイクルの幅をコードホイールのサ
イクルの２倍にすべきである。同様に、個々の各光検出
器領域の幅は窓の幅または窓と窓との間の反射性領域の
幅と同じである。

この関係は幾つかの理由で精密でない。図示した実施
例ではLEDおよび光検出器はコードホイールの平面に平
行な平面内に概略存在するが、これらは全く同じ平面内
にあるのではない。それ故光の発散は反射器から光検出
器までの方がLEDから反射性領域までの方よりわずかに
少い。反射角が90゜から次第に異なるにつれて被照明域
に平行な平面上の被照明域は視差によっても拡大する。
LED上の発光線の幅は有限である。集積回路チップ上の
半導体領域の間隔に関する物理的制限も実際に使用され
る光検出器の幅に影響を及ぼす。しかし、これらの食い
違いは少いので、幅の関係はほぼ上述のとおりである。

光検出器は反射性領域の幅が回転するにつれて、交互
に照明されたり照明されなかったりすることも明らかで
あろう。したがって、フォトダイオードによる信号は、
レオナードの特許のコードホイールにある窓を通して伝
達される信号と実質上同じであり、同じ仕方で処理する
ことができる。

光検出器のアレイを２等分する半径方向に最も近く且
つ反対側にある光検出領域ｘ、ｙは外側の光検出器領域
ｗ、ｚよりわずかに小さくすることができる。LEDと外
側の光検出器領域との間の光路長は内側の光検出器まで
の光路よりわずかに長い。外側光検出器での光の強さは
したがってわずかに小さい。したがって、その光検出器
領域はほぼ同じ全光束が各光検出器領域を照明するよう
に大きくなっている。この向上策は、光検出器の２サイ
クル以上を利用するときは、各チャンネル内の内側及び
外側の光検出器に照射される光束を示す信号が積分され
て均一化するため意義は少なくなる。

光学的軸角度エンコーダの一実施例についてここに説
明し、図示してきたが、多数の修正および変形が当業者
には明らかであろう。したがって、たとえば、この実施
例では、コードホイール上に円周方向に延びる交互に反
射性および非反射性の領域を作る帯が一つしかない。こ
れは所要の情報が、軸の絶対位置ではなく、軸の回転の
大きさである場合には充分である。絶対位置が重要であ
る場合には、コードホイール上に指標を設けて位置を周
知の方法を利用して決定することができる。

説明し、図示した構成の明確な利点は発光装置に関連
してレンズを必要とせず、光が多かれ少なかれ等方的に
放射されることである。しかし、光の強さはLEDのとこ
ろに光検出器の方に反射することができない区域を照明
する光の量を極力少くする集光レンズを設けることによ
り大きくすることができる。

コードホイール上の反射性領域およひ介在する非反射
性領域を半径方向に伸びているように示してある。円周
のまわりに少数のサイクルしか備えないホイールでは、
感度を上げるのに螺旋状にのびているような反射性領域
および非反射性領域を採用するのが望ましい。他の多数
の修正および変形が当業者には明らかであり、それ故、
上記した特許請求の範囲内において、本発明を特に記述
した実施例以外に実施することができることは言うまで
もない。

〔効果〕

本発明は、以上のように構成され作用するものである
から、上記した課題を達成しうるエンコーダを提供する
ことができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係り、第１図は軸角度エンコー
ダの一部断面側面図である。第２図は、コードホイールの一面の一部を示す平面図で
ある。第３図は、発光器および光検出器を備える基板の平面図
である。第４図は、コードホイールを模式的に示す一部拡大断面
図である。第５図は、発光器によって光検出器が照射される様子を
示す図である。第６図は、エンコーダのブロック回路図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−292016（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−162012（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−50721（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−22212（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−51178（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−79167（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−156823（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】下記（ａ）乃至（ｄ）を具備する反射式エ
ンコーダ。（ａ）コードホイール。該コードホイールは、円周経路
上に交互に配置された反射領域と非反射領域とを有す
る。（ｂ）発光デバイス。該発光デバイスは、前記円周経路
を照射するための線状光源である。（ｃ）光検出器アレイ。該光検出器アレイは、複数の光
検出器からなり、該複数の光検出器は、前記コードホイ
ールから見て前記発光デバイスと同じ側に、該発光デバ
イスを出て前記反射領域から反射された光を受けるべ
く、放射状に延伸配置されている。（ｄ）電気回路。該電気回路は、前記複数の光検出器か
らの複数の信号を比較し、前記コードホイールの回転を
示す信号を発生する。
【請求項２】前記発光デバイスと前記光検出器とは、そ
れぞれ前記コードホイールの面と平行な面にあることを
特徴とする請求項１に記載の反射式エンコーダ。
【請求項３】前記光検出器アレイの１サイクルの幅は、
前記反射領域および前記非反射領域の１サイクルの幅の
２倍になっていることを特徴とする請求項１又は２に記
載の反射式エンコーダ。
【請求項４】前記発光デバイスは、前記コードホイール
の回転軸から半径方向の所定の距離にあり、前記光検出
器アレイは、前記コードホイールの回転軸から半径方向
の、前記発光デバイスと異なる距離にあることを特徴と
する請求項１又は２又は３に記載の反射式エンコーダ。
【請求項５】前記発光デバイスは、前記光検出器アレイ
よりも前記回転軸に近いことを特徴とする請求項４に記
載の反射式エンコーダ。
【請求項６】前記発光デバイスは、前記光検出器アレイ
を二等分する半径方向に位置することを特徴とする請求
項１又は２又は３又は４又は５に記載の反射式エンコー
ダ。
【請求項７】前記コードホイールの非反射領域は、前記
コードホイールに設けられた窓からなり、前記発光デバ
イスと反対側の前記コードホイールに対向する面は、非
反射領域となっていることを特徴とする請求項１又は２
又は３又は４又は５又は６に記載の反射式エンコーダ。
【請求項８】下記（ａ）乃至（ｃ）を具備する反射式エ
ンコーダ。（ａ）コードホイール。該コードホイールは、円周経路
上に交互に配置された反射領域と非反射領域とを有す
る。（ｂ）発光手段。該発光手段は、前記反射領域を照射す
るため前記円周経路を横切る線にそって光を発射する。（ｃ）複数の光検出領域。該光検出領域は、前記発光手
段の前記線からの光に照射されるように半径方向に延伸
するように配置されている。該光は、複数の反射領域の
一つにより反射されたものである。該光検出領域は、コ
ードホイールの位置を示す複数の電気信号を発生させる
ためのものである。
【請求項９】前記発光手段と前記光検出領域は、前記コ
ードホイールから等距離であり、前記光検出領域は、前
記光検出領域の１サイクルの幅が、前記反射領域および
前記非反射領域の１サイクルの幅の２倍になっているこ
とを特徴とする請求項８に記載の反射式エンコーダ。
【請求項１０】前記発光手段と前記コードホイールの回
転軸からの半径方向の距離は、前記光検出領域の前記コ
ードホイールの回転軸からの半径方向の距離よりも小さ
いことを特徴とする請求項８又は９に記載の反射式エン
コーダ。
【請求項１１】前記発光手段は、前記複数の光検出領域
を二等分する半径方向に位置することを特徴とする請求
項８又は９又は10に記載の反射式エンコーダ。
【請求項１２】隣接する光検出領域どうしの間隔は、前
記発光手段の線幅と等しいことを特徴とする請求項８又
は９又は10又は11に記載の反射式エンコーダ。
【請求項１３】下記（ａ）乃至（ｄ）を具備する反射式
エンコーダ。（ａ）コードホイール。該コードホイールは、該コード
ホイールの一つの面に円周経路上に交互に配置された反
射領域と非反射領域とを有する。（ｂ）点光源。該点光源は、前記円周経路を照射する。（ｃ）複数の光検出器。該光検出器は、前記点光源と同
じ平面上にある。該光検出器は、前記点光源から出て前
記反射領域により反射された光を受けるためのものであ
り、コードホイールの位置を示す複数の電気信号を発生
させるためのものである。前記コードホイールの回転軸
からの前記光検出器までの距離は、該回転軸から前記点
光源までの距離よりも大きくなっている。
【請求項１４】前記点光源および前記光検出器は、半径
方向に延伸されるように配置されたものであることを特
徴とする請求項13に記載の反射式エンコーダ。
【請求項１５】前記（ａ）乃至（ｇ）を具備する光学反
射式軸角度エンコーダ。（ａ）ハウジング。（ｂ）回転軸。該回転軸は、前記ハウジングに回転可能
に装着されている。（ｃ）ハブ。該ハブは、前記回転軸と共に回転可能であ
り、背面に戻り止め穴を備えている。（ｄ）戻り止めボール、およびその戻り止めボールを前
記戻り止め穴に係合させ前記ハブの位置を確実にするた
めの付勢手段。（ｅ）反射領域および非反射領域。該反射領域および非
反射領域は、前記ハブの前面に円周状の帯にそって複数
配置されている。（ｆ）発光ダイオード。該発光ダイオードは、前記は部
の前面から間隔をおいて、置かれている。（ｇ）複数の光検出器。該光検出器は、前記発光ダイオ
ードと前記ハブとの距離と同じ距離だけ前記ハブから離
れている。前記回転軸からの距離は、前記発光ダイオー
ドよりも、前記光検出器の方が大きい。該光検出器に
は、前記発光ダイオードから出て前記反射領域に反射さ
れた光が照射される。前記発光ダイオードは、該光検出
器のアレイを二等分する半径方向に位置する。
【請求項１６】前記非反射領域は、前記ハブの前面に設
けられた溝からなり、前記反射領域は、前記ハブの前記
前面に形成されているものであることを特徴とする請求
項15に記載の光学反射式軸角度エンコーダ。
【請求項１７】前記発光ダイオードおよび前記光検出器
は、半径方向に延伸するように配置されているものであ
ることを特徴とする請求項15又は16に記載の光学反射式
軸角度エンコーダ。