JP4914681B2 - 反射型光エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は反射型光エンコーダに関する。

可動部品の動き（例えば、可動部品の動きの方向や速度）はしばしば、光エンコーダによって判定される。絶対光エンコーダ、すなわち、最初に既知の位置に対して較正されている光エンコーダの場合、光エンコーダは、可動部品の位置も判定することができる。

光エンコーダには種々の形があるが、最も一般的なのは、リニア・エンコーダやロータリ・エンコーダである。その名のとおり、リニア・エンコーダは、直線運動（場合によっては位置も）を知るために使用され、ロータリ・エンコーダは、回転運動（場合によっては位置も）を知るために使用される。

大半の光エンコーダは、透過型のものと、反射型のものに大別される。透過型光エンコーダの場合、光源とフォトディテクタが、コード部材（コードストリップやコードホイール）の両側に配置される。コード部材は可動部品によって動かされ、コード部材に設けられた複数の窓により、フォトディテクタは種々のパターンの光で照明され、そのパターンが可動部品の動きに関連付けられる。反射型光エンコーダの場合、光源とフォトディテクタが、コード部材の同じ側に配置される。そして、コード部材が可動部品によって動かされる際に、コード部材に設けられた複数の反射器により、フォトディテクタが種々のパターンの光で照明される。

特開昭６３−１５１８０７号公報 特開平２−１７６４１９号公報

一実施形態において、光エンコーダは、コード部材、光源、及び、検出器アレイを含む。コード部材は、コード部材上に複数の反射器を有する。光源は、それらの反射器のうちの少なくとも１つを含むコード部材の領域を照明する位置に配置される。検出器アレイは少なくとも１つの検出器セットを有し、各セットは複数の検出器要素を含む。コード部材と検出器アレイは、移動方向に沿って相対的に移動させることができる。コード部材が検出器アレイに対して相対的に移動される際に、コード部材上の反射器は、光源から放射された光を反射し、検出器アレイ上を移動する円又は楕円の光スポットを生成する。

他の実施形態において、光エンコーダは、コード部材、光源、検出器アレイ、並びに、第１及び第２の加算器を含む。コード部材は、コード部材上に複数の反射器を有する。光源は、それらの反射器のうちの少なくとも１つを含むコード部材の領域を照明する位置に配置される。検出器アレイは少なくとも１つの検出器セットを有し、第１の検出器セットは、互いに近接して配置された第１、第２、第３及び第４の検出器要素を含む。コード部材と検出器アレイは、移動方向に沿って相対的に移動させることができる。コード部材が検出器アレイに対して相対的に移動される際に、コード部材上の反射器は、光源から放射された光を反射し、検出器アレイ上を移動する円又は楕円の光スポットを生成する。第１の加算器は第１の検出器要素及び第３の検出器要素に関連し、第１の検出器要素によって生成された出力信号から第３の検出器要素によって生成された出力信号を減算することにより、第１の出力信号を生成する。第２の加算器は第２の検出器要素及び第４の検出器要素に関連し、第２の検出器要素によって生成された出力信号から第４の検出器要素によって生成された出力信号を減算することにより、第２の出力信号を生成する。

更に他の実施形態では、（１）複数の反射器を有するコード部材を用意するステップ、（２）前記コード部材の片側に、前記反射器のうちの少なくとも１つを含む前記コード部材の領域を照明する光ビームを生成する光源を配置するステップ、及び、（３）前記コード部材の前記光源と同じ側に、検出器アレイを配置するステップからなる方法を提供する。検出器アレイは移動方向に沿ってコード部材に対して相対的に移動させることができる。コード部材が検出器アレイに対して相対的に移動する際に、コード部材上の反射器は、検出器アレイ上を移動する円又は楕円の光スポットを生成する。この方法は、検出器アレイの互いに隣接していない少なくとも一対の検出器要素からの出力信号を結合し、第１の擬似正弦波信号を生成するステップを更に含む。

他の実施形態も開示する。

例示的な光エンコーダ１０を図１に示す。光エンコーダ１０は、光源１２、検出器アレイ１３、及び、コード部材２０を含む。光源１２は、検出器アレイ１３を形成する検出器要素１６によって検出可能な光５６を生成するのに適した種々の光源のうちのいずれを使用してもよい。一般的には、光源１２は、コリメートされた、又は、ほぼコリメートされた光５６の束（ビーム）６２を生成することが好ましいが、必須ではない。そのようなコリメートされたビーム６２は、光源１２によって生成してもよいし、独立したコリメートレンズ６６を使用して形成してもよい。

例えば、一実施形態において、光源１２は、発光ダイオード６４を含む。場合によっては、発光ダイオード６４は一体型のコリメートレンズ（図示せず）を備える場合がある。

光源１２は、光源１２をコード部材２０に対して離れた位置に固定するのに適したフレームまたはハウジング（図示せず）取り付けられる場合がある。図面では、光源１２は、コード部材２０に対して角度をなして取り付けられるように描かれているが、光源１２は、コード部材２０に対して平行に取り付けてもよい。後者の場合、光源１２、及び／又は、一体型又は独立型のコリメートレンズ６６は、光５６をコード部材２０をある角度（α）で照明するビーム６２としてコリメート（平行化）することが可能であることが望ましい。本明細書に記載した教示に精通した当業者には、光源１２の種々の取り付け構成が可能であることから、本明細書では、光源１２の取り付け構成について詳しい説明はしない。

また、検出器アレイ１２は、コード部材２０の光源１２と同じ側にコード部材２０から離して配置され、少なくとも１つの検出器セット１４を含む。例えば、図１は、単一の検出器セット１４を含む検出器アレイ１３を示している。ただし、本明細書の中で後で詳しく説明するように、更に検出器セットを設けることもできる。

検出器アレイ１３中の検出器セット１４の数とは無関係に、各検出器セット１４は、複数の検出器要素１６を含み、検出器要素１６は、検出器アレイ１３の幅方向１８に沿って隣り合う関係で配置される。図１を参照して欲しい。例えば、検出器セット１４は、４つの検出器要素１６、すなわち、第１の検出器要素３２、第２の検出器要素３４、第３の検出器要素３６、及び、第４の検出器要素３８を含む。ただし、代替実施形態において、検出器セット１４は、４以上の検出器要素１６を含む場合もある。検出器セット１４の幅は、検出器セット１４の検出器要素３２、３４、３６及び３８によって決まる。

各検出器要素１６（例えば、第１、第２、第３及び第４の検出器要素３２、３４、３６及び３８）は、光源１２によって生成される光５６を検出するのに適した種々の任意のデバイスであってよい。ただし、例えば、一実施形態において、検出器セット１４を形成する種々の検出器要素１６は、フォトダイオードからなる場合がある。

種々の検出器要素１６は、種々の検出器要素１６を幅方向１８に沿って適切な位置に固定し、検出器セット１４を形成するのに適したプリント回路基板６８のような種々の任意の構造に取り付けられる場合がある。あるいは、本明細書に記載した教示に精通した当業者には明らかなように、他の取り付け構成も可能である。

なお、図１に示す実施形態では、検出器アレイ１３は単一の検出器セット１４を含み、検出器アレイ１３の幅２９は検出器セット１４の幅２８と同じになる。ただし、検出器アレイ１３が２以上の検出器セット１４を含む場合は、同じにならない。例えば、図７に示す光エンコーダ１１０を参照して後で説明するように、検出器アレイ１１３が２つの検出器セット１１４を含む場合、検出器アレイ１１３の幅１２９は、検出器セット１１４の２倍の幅１２８になるであろう。場合によっては、本明細書の中で後で説明するように、検出器アレイ１３の幅２９は、コード部材２０上の反射器２２のサイズ及び間隔を決めるために使用される場合がある。

コード部材２０と検出器アレイ１３は、相対的に移動可能であるように取り付けられる（例えば、移動方向２４に沿って）。コード部材２０の光源１２及び検出器アレイ１３に面する側には、複数の反射器２２が設けられ、反射器２２は、コード部材２０が検出器アレイ１３に対して相対的に移動される際に、光源１２によって生成された光５６の一部を検出器アレイ１３に反射する。図１に示すように、反射光８０は、複数の光スポット５８の形で検出器アレイ１３を照明し、コード部材２０の移動に従って各光スポットは検出器アレイ１３上を移動する。

一構成として、コード部材２０は可動部品（図示せず）に搭載され、光源１２及検出器アレイ１３は静止位置に固定される場合がある。他の構成として、コード部材２０は固定され、光源１２及び検出器アレイ１３は可動部品に搭載される場合がある。構成とは無関係に、光エンコーダ１０は、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の相対運動を検出する。

コード部材２０は、その用途に応じて、種々の任意の形及び構成が可能である。例えば、光エンコーダ１０がリニア・エンコーダとして使用される場合、図２に最も分かり易く示されているように、コード部材２０は、一般に細長いストリップ状の部材７４の形をとり、種々の反射器２２はラインに沿って配置される場合がある。あるいは、光エンコーダ１０がロータリー・エンコーダとして使用される場合、コード部材２０は、ディスク状部材、又は、「ホイール」７０の形をとり、種々の反射器２２は、そのホイール７０の縁部に沿って概ね円形に配置される場合がある。図３を参照して欲しい。したがって、本明細書での使用に関し、「コード部材」という用語は、コード部材の何らかの特定の形又は構成に制限されるものと解釈してはならない。「コード部材」という用語は、線形コードストリップ、円形コード「ホイール」、又は、特定用途において必要とされる望ましいコード部材の任意の他の形又は構成を指すものとして広い意味で解釈しなければならない。

上述のように、コード部材２０は複数の反射器２２を備える。反射器２２は、種々の任意の形を有するものであってよい。本明細書の中で後で詳しく説明するように、円形又は楕円形によれば、光エンコーダ１０は、１以上の擬似正弦波波形（例えば、加算器４０及び４２のそれぞれからの出力信号５２及び５４）を生成することができる。光源１２から放射される光５６の向き及び円周にもよるが、円形反射器によれば、加算器４０及び４２は、真の正弦波波形に非常に近い出力５２及び５４を生成できる場合がある。ただし、移動方向２４に対して垂直な方向７８において楕円形をなす反射器は、検出器アレイ１３に与られ、検出される光の量を増加させるのに役立つ（それでも、加算器４０及び４２は擬似正弦波波形を生成する）。検出器アレイ１３に与えられる光の量を増加させる方法は他にもある。例えば、コード部材２０に、各反射器が方向７８に並ぶ２以上の反射器のセットを設ける場合がある（例えば、各反射器２２を、方向７８に並ぶ一対の反射器で置き換える場合がある）。代替または追加として、反射器２２は、より多くの光を受けることが可能な形を有する場合がある。そのような形の１つ２００が、図９に描かれている。図示のように、反射器の形２００は、光５６の比較的広いビームを集束させ、それによって、反射器が単に平坦な表面（これは、任意のある瞬間において外れる光線５６の数が多い。図１を参照）を有する場合に比べて、スポット５８を形成する反射光線２０２の数を増加させる働きをする。

反射器２２は種々の形を有する場合があるが、ここでは、反射器２２が平坦かつ円形であるものと仮定する。

各反射器が、光源１２によって生成される光ビーム６２に整合している場合、図１に最も分かり易く描かれているように、反射器２２は、光８０の狭い幅のビーム７２を反射する働きをする。幅の狭いビーム７２は、検出器アレイ１３上でスポット５８の形を有する。図４及び図５を参照して欲しい。幅の狭いビーム７２のサイズ及び形、したがって、スポット５８のサイズ及び形は、コード部材２０上の反射器２２のサイズ及び形によって決まる。光源１２によって生成されるビーム６２及びレンズ８０が実質的にコリメートされている場合、スポット５８のサイズ及び形は、反射器２２のサイズ及び形にほぼ等しくなる。例えば、反射器が円形または楕円形である場合、スポット５８は、円形または楕円形になるはずである。ただし、光源１２によって生成されるビーム６２がコリメートされていない場合（例えば、レンズ８０が存在せず、ビーム６２が発散する光線を含む場合）、反射器２２のサイズ及び形は、スポット５８のサイズ及び形とは異なる場合がある（例えば小さくなる場合がある）。

適切な量の空間フィルタリングを施すためには、移動方向２４におけるスポット５８の寸法２６は、検出器セット１４の幅２８よりも小さく、かつ、単一の検出器要素１６の幅７６よりも大きいことが好ましい。また、移動方向２４におけるスポット５８の寸法は、検出器セット１４の幅２８の約４０％〜約８０であることが更に好ましい。

スポット５８のサイズの他に、一連のスポット間の間隔も調節し、任意の時点においてただ１つのスポット５８だけが検出器アレイ１３を照明するようにすることが望ましい。ただし、少なくとも１つのスポット５８は、検出器アレイ１３を常に照明していなければならない。モーション検出により「隙間」が検出されることを避けるために、コード部材２０を動かしても検出器アレイ上をスポット５８が何も移動しない場合、同時に２以上のスポットを使用すると、検出器アレイ１３を照明できることがある。ただし、そのような場合、それら複数の光スポットは「約１つ」の光スポット５８に維持することが望ましい。本明細書において、「約１つ」の光スポットとは、１と１／２（１．５）以下の光スポット５８として定義される。

所与の光源１２及び検出器アレイ１３について、検出器アレイ１３を照明する光スポット５８のサイズ及び間隔を調節するために、光源１２、検出器アレイ１３、及び、コード部材２０の位置（すなわち、間隔）は調節される場合がある。また、コード部材２０における反射器２２のサイズ２６及び間隔３０も、調節される場合がある。光ビーム６２がコリメートされたビームである場合、光源１２、検出器アレイ１３、及び、コード部材２０の位置（すなわち、間隔）はいくらか重要性が低く、光スポット５８のサイズ及び間隔は、コード部材２０上の反射器２２のサイズ２６及び間隔３０にほぼ等しくなる。

次に、図４及び図５を主に参照すると、光エンコーダ１０は、検出器アレイ１３を形成する種々の個々の検出器要素１６に接続された第１及び第２の加算器４０及び４２を更に含み、各検出器要素は「交互」に配置される場合がある。すなわち、検出器要素は１つ置きに、加算器４０及び４２のうちの異なるものに接続される場合がある。このようにすると、コード部材２０及び検出器アレイ３０により、「空間フィルタ」が形成される。また、コード部材２０上の反射器２２が円形または楕円形である場合、加算器４０、４２の出力５２、５４は、図５から最もよく分かるように、擬似正弦波波形を有することになる。

もっと具体的には、第１の加算器４０は、第１の検出器要素３２及び第３の検出器要素３６に接続され、第２の加算器５０は、第２の検出器要素３４及び第４の検出器要素３８に接続される。第１の加算器４０は、第１の検出器要素３２の出力信号４４から第３の検出器要素３６の出力信号４８を減算することにより、第１の検出器要素３２の出力信号と第３の検出器要素３６の出力信号を結合する。第１の加算器４０から得られる出力信号５２は擬似正弦波波形を有する。図５を参照して欲しい。

第２の加算器４２は、第２の検出器要素３４の出力信号４６から第４の検出器要素３８の出力信号５０を減算することにより、第２の検出器要素３４の出力信号と第４の検出器要素３８の出力信号を結合する。第２の加算器４２から得られる出力信号５４は、同じく図５から最もよく分かるように、擬似正弦波波形を有する。

処理システム６０は、第１の加算器４０及び第２の加算器４２によって生成された出力信号５２及び５４に応答するように、第１の加算器４０及び第２の加算器４２に接続される場合がある。処理システム６０は、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対運動に関する情報を導出するために、第１の加算器４０及び第２の加算器４２からの出力信号５２及び５４を分析する。例えば、処理システム６０は、第１の加算器４０からの出力信号５２の擬似正弦波波形の周波数、又は、第２の加算器４２からの出力信号５４の擬似正弦波波形の周波数を測定することにより、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の運動の速度（例えば、スピード）を判定する場合がある。また、処理システム６０は、例えば、出力信号５２及び５４の擬似正弦波波形の位相差、すなわち、位相ずれを測定することにより、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の運動の向きを判定するのに使用される場合もある。当然ながら、処理システム６０は、例えば、出力信号５２及び５４を積分又は微分することにより、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の相対運動の他の態様を判定するのに使用される場合もある。

例えば、一実施形態において、処理システム６０は、擬似正弦波波形の周波数、並びに、それらの位相差を検出し、所望の計算を行い、所望の出力データを生成するようにプログラムされた汎用プログラマブルコンピュータ（例えば、ＰＣ）を含む場合がある。あるいは、処理システム６０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む場合がある。

光エンコーダ１０は、下記のような動作により、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の相対運動を検出する。例えば、コード部材２０は可動部品（図示せず）に搭載され、検出器アレイ１３は静止したままである構成の場合、光源１２からの光５６は、検出器アレイ１３上のスポット５８を照明する前に、コード部材２０上に設けられた反射器２２によって反射される。この実施形態の場合、スポット５８のサイズは、コード部材２０上に設けられた反射器２２のサイズに実質的に等しい。コード部材２０と検出器アレイ１３の間の相対運動により、スポット５８は、検出器アレイ１３の個々の検出器要素３２、３４、３６、３８の上を移動、又は、走査させられる。図５を参照して欲しい。

スポット５８が各検出器要素３２、３４、３６、３８を照明する際に、照明された検出器要素（複数の場合もあり）は、そこに入射した光の量に関連する出力信号を生成する。例えば、図５を参照すると、検出器アレイ１３を構成する一連の検出器要素３２、３４、３６、３８にわたるスポット５８の移動により、各検出器要素３２、３４、３６、３８において、擬似正弦波パルスを有する出力信号が生成される。具体的には、第１、第２、第３及び第４の検出器要素３２、３４、３６及び３８は、擬似正弦波パルスを含む対応する出力信号４４、４６、４８及び５０を生成する。ここで、各パルスは、検出器アレイ１３上でのスポット５８の移動に対応してシフトされる（すなわち、時間的に遅延が加えられる）。

種々の検出器要素３２、３４、３６及び３８によって出力された擬似正弦波パルスは、第１の加算器４０及び第２の加算器４２によって結合され、出力信号５２及び５４に対応する擬似正弦波波形が生成される。具体的には、第１の加算器４０は、第１の出力信号４４から第３の出力信号４８を減算し、擬似正弦波出力信号５２（すなわち、「Ｉ」チャネル）を生成する一方、第２の加算器４２は、第２の出力信号４６から第４の出力信号５０を減算し、擬似正弦波出力信号５４（すなわち、「Ｑ」チャネル）を生成する。

処理システム６０は、第１の加算器４０及び第２の加算器４２からの出力信号５２及び５４を分析し、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の相対運動に関する情報を導出するのに使用される場合がある。例えば、処理システム６０は、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の相対速度すなわち相対スピードを、第１の加算器４０及び第２の加算器４２のうちの一方からの出力信号（例えば、５２または５４）の周波数に基づいて判定する場合がある。すなわち、第１の加算器４０の出力信号５２に対応する擬似正弦波波形の周波数は、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対速度に関連する。同様に、第２の加算器４２の出力信号５４に対応する擬似正弦波波形の周波数も、コード部材２０と検出器アレイ１３の間の相対速度に関連する。したがって、速度またはスピードの判定は、第１の加算器４０の出力信号５２、第２の加算器４２の出力信号５４、又は、あるいはそれらを結合したものの周波数を測定することによって行われる場合がある。

検出器アレイ１３に対するコード部材２０の運動の方向は、第１の加算器４０の擬似正弦波波形５２と第２の加算器４２の擬似正弦波波形５４の間の位相関係または位相差から判定することができる。具体的には、本明細書で図示説明される実施形態では、「Ｉ」チャネルの位相と「Ｑ」チャネルの位相が９０度ずれることになる。したがって、「Ｉ」チャネルが「Ｑ」チャネルよりも９０度だけ進んでいる場合、検出器アレイ１３とコード部材２０の間の相対運動は、第１の方向における相対運動である。「Ｉ」チャネルが「Ｑ」チャネルよりも９０度だけ遅れている場合、検出器アレイ１３とコード部材２０との間の相対運動は、第１の方向とは反対の方向における相対運動である。また、加算器４０及び加算器４２によって生成される出力信号５２及び５４を積分または微分することにより、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対運動に関する他の情報を判定することもできる。

上述のように、検出器アレイ１３は、２以上の検出器セット１４を含む場合がある。検出器セット１４を追加することにより、コード部材２０に設けられる隣り合う反射器２２の間隔を広げることができ、状況によってはそれが有利な場合がある。次に、図７及び図８を参照すると、光エンコーダの第２の実施形態１１０は、コード部材１２０の一方の側に配置された光源１１２及び検出器アレイ１１３を含む。この実施形態における検出器アレイ１１３は４つの検出器セット１１４を含み、各検出器セット１１４は、４つの検出器要素１１６を含む。コード部材１２０は、コード部材２０と同様に、複数の反射器１２２を備える。

光源１１２がコード部材１１２を照明すると、検出器アレイ１１３は、光のスポット（複数の場合もあり）１５８によって照明される。適切な量の空間フィルタリングを施すために、移動方向におけるスポット１５８の寸法は、１つの検出器セット１１４の幅１２８よりも小さく、且つ、単一の検出器要素１１６の幅よりも大きいことが望ましい。また、移動方向１２４におけるスポット１５８の寸法は、１つの検出器セット１１４の幅１２８の約４０％〜約８０％であることが更に望ましい。

スポット１５８のサイズの他に、一連のスポット間の間隔も調節し、任意の時点で、１つのスポット１５８だけが、検出器アレイ１１３を照明するようにすることが望ましい。ただし、少なくとも１つのスポット１５８は、検出器アレイ１１３を常に照明していなければならない。動きの検出によって「隙間」が検出されることを避けるために、コード部材１２０を動かしても、検出器アレイ上を動くスポット１５８が現われない場合、２以上のスポット１５８を同時に使用して検出器アレイ１１３を照明することが望ましいこともある。ただし、そのような場合、複数の光スポットは「約１つ」の光スポット１５８に維持することが望ましい。本明細書において、「約１つ」の光スポットとは、１と２分の１（１．５）光スポット１５８として定義される。

所与の光源１１２、及び、検出器アレイ１１３について、検出器アレイ１１３を照明する光スポット１５８のサイズ及び間隔を調節するために、光源１１２、検出器アレイ１１３、及び、コード部材１２０の位置（すなわち、間隔）は調節される場合がある。また、コード部材１２０における反射器１２２のサイズ１２６及び間隔１３０も、調節される場合がある。光源１１２がコリメートされた光源である場合（若しくは、光が、コリメートレンズ１６６に導かれる場合）、光源１１２、検出器アレイ１１３、及び、コード部材１２０の位置（すなわち、間隔）はいくらか重要性が低く、光スポット１５８のサイズ及び間隔は、コード部材１２０上の反射器１２２のサイズ１２６及び間隔１３０にほぼ等しくなる。

次に、図８を主に参照すると、検出器アレイ１１３は、全部で８個の検出器要素を含む。すなわち、第１の検出器セット１１４を形成する第１、第２、第３及び第４の検出器要素１３２、１３４、１３６及び１３８、並びに、第２の検出器セット１１４を形成する第５、第６、第７及び第８の検出器要素１３２’、１３４’、１３６’及び１３８’である。また、種々の検出器要素１１６は「交互」に配置される。具体的には、第１の検出器要素１３２と第５の検出器要素１３２’は互いに接続され、且つ、第１の加算器１４０に接続される。第３の検出器要素１３６と第７の検出器要素１３６’は互いに接続され、且つ、第１の加算器１４０に接続される。第１の加算器１４０は、第１の実施形態１０の加算器４０について既に説明したものと同様のやり方で、それらの検出器からの信号を結合する。すなわち、第１の加算器１４０は、第１の検出器要素１３２及び第５の検出器要素１３２’からの結合された信号から、第３の検出器１３６及び第７の検出器１３６’からの結合された信号を減算することにより、擬似正弦波出力信号１５２を生成する。

第２の検出器要素１３４と第６の検出器要素１３４’は互いに接続され、且つ、第２の加算器１４２に接続される。第４の検出器要素１３８と第８の検出器要素１３８’は、図８に示すように互いに接続され、且つ、第２の加算器１４２に接続される。第２の加算器１４２は、種々の検出器からの信号を、第１の実施形態の加算器４２について既に説明したものと同様のやり方で結合する。すなわち、第２の加算器１４２は、第２の検出器要素１３８及び第６の検出器要素１３８’からの結合された信号から、第４の検出器要素１３４及び第８の検出器要素１３４’からの結合された信号を減算することにより、擬似正弦波出力信号１５４を生成する。

処理システム１６０は、第１の加算器１４０及び第２の加算器１４２に接続され、既に説明したものと同様のやり方で、第１及び第２の正弦波信号１５２及び１５４を処理し、コード部材１２０と検出器アレイ１１３の間の相対運動に関する情報を生成する。

大抵の用途において、光エンコーダ１０及び１１０を使用すれば、独立したレチクルを使用することなく、擬似正弦波出力信号を生成することができる。なお、独立したレチクルは、適切な位置決めが難しいだけでなく、エンコーダの部品数も増加する。さらに、検出器アレイの組み合わせにより形成される空間フィルタ、及びコード部材２０及び１２０上の反射器によって、従来のエンコーダ設計に比べて、分解能を向上させることができる。また、光エンコーダ１０及び１１０のコード部材２０及び１２０並びに空間フィルタによれば、光エンコーダ１０及び１１０は、コード部材２０及び１２０と、検出器アレイ１３及び１１３との間の位置合わせの不整合の許容範囲を拡大することができる。例えば、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照すると、図６（ａ）から最もよく分かるように、移動方向２４は、検出器アレイ１３の幅方向１８に対して概ね平行であることが望ましい。ただし、本発明の光エンコーダ１０によれば、平行でない移動方向２６’の場合であっても（すなわち、移動方向２６’が、検出器アレイ１３の幅方向１８に対して角度θだけ傾斜していても）、満足な動作が得られる。そのような非平行な位置合わせは、製造又は動作の際に、許容誤差の累積や他の不整合によって発生する場合がある。

本発明の種々の例示的実施形態を以下に列挙する。
１．複数の反射器を有するコード部材と、
前記反射器のうちの少なくとも１つを含む前記コード部材の領域を照明する位置に配置された光源と、
少なくとも１つの検出器セットを含む検出器アレイであって、前記少なくとも１つの検出器セットがそれぞれ、少なくとも複数の検出器要素を含み、前記コード部材及び前記検出器アレイが、移動方向に沿って相対的に移動させることが可能であるように構成される、検出器アレイと
からなり、前記コード部材が前記検出器アレイに対して相対的に移動する際に、前記コード部材上の前記反射器が、前記光源によって放射された光を反射し、前記検出器アレイ上を移動する円形または楕円形の光スポットを生成するように構成される、光エンコーダ。
２．前記反射器は円形または楕円形である、１に記載の光エンコーダ。
３．前記光源、前記検出器アレイ及び前記コード部材の位置、並びに、前記コード部材上の反射器のサイズは、前記移動方向に沿った前記光スポットの寸法が、前記検出器セットの１つの幅よりも小さく、且つ、前記検出器要素の１つの幅よりも大きくなるような位置並びにサイズである、１に記載の光エンコーダ。
４．前記光源、前記検出器アレイ及び前記コード部材の位置、並びに、前記コード部材上の反射器の間隔は、前記検出器アレイを照明する光スポットが一度に約１つ生成されるような位置並びに間隔である、３に記載の光エンコーダ。
５．前記光源、前記検出器アレイ及び前記コード部材の位置、並びに、前記コード部材上の反射器の間隔は、前記検出器アレイを照明する光スポットが一度に１つだけ生成されるような位置並びに間隔である、３に記載の光エンコーダ。
６．前記光源、前記検出器アレイ及び前記コード部材の位置、並びに、前記コード部材上の反射器のサイズは、前記移動方向に沿った前記光スポットの寸法が、前記検出器セットの１つの幅の約４０％〜約８０％の範囲内になるような位置及びサイズである、１に記載の光エンコーダ。
７．前記光源は、コリメートされた光源であり、
前記コード部材上の反射器はそれぞれ、前記移動方向に沿って、前記検出器セットの１つの幅よりも小さく、且つ、前記検出器要素の１つの幅よりも大きい寸法を有する、１に記載の光エンコーダ。
８．前記コード部材上の反射器はそれぞれ、前記検出器アレイの幅にほぼ等しい距離だけ、隣りの検出器から離れている、７に記載の光エンコーダ。
９．前記光源は、コリメートされた光源であり、
前記コード部材上の反射器はそれぞれ、前記移動方向に沿って、前記検出器セットの１つの幅の約４０％〜約８０％の範囲の直径を有する、１に記載の光エンコーダ。
１０．前記光源は発光ダイオードからなる、１に記載の光エンコーダ。
１１．前記検出器要素はそれぞれ、フォトダイオードからなる、１に記載の光エンコーダ。
１２．前記少なくとも１つの検出器セットは、隣接関係をなすように配置された第１、第２、第３及び第４の検出器要素を含む第１の検出器セットを含み、
前記光エンコーダは、
前記第１の検出器要素及び前記第３の検出器要素に関連し、前記第１の検出器要素によって生成された出力信号から前記第３の検出器要素によって生成された出力信号を減算することにより第１の出力信号を生成する第１の加算器と、
前記第２の検出器要素及び前記第４の検出器要素に関連し、前記第２の検出器要素によって生成された出力信号から前記第４の検出器要素によって生成された出力信号を減算することにより第２の出力信号を生成する第２の加算器と
を更に含む、１に記載の光エンコーダ。
１３．前記少なくとも１つの検出器セットは、前記第１の検出器セットの検出器要素に隣接する位置に配置された第５、第６、第７及び第８の検出器要素を含む第２の検出器セットを更に含み、
前記第１の加算器は、第７の検出器要素によって生成された出力信号から前記第５の検出器要素によって生成された出力信号を減算したものを、前記第１の加算器の出力に加算し、
前記第２の加算器は、前記第８の検出器要素によって生成された出力信号から前記第６の検出器要素によって生成された出力信号を減算したものに、前記第２の加算器の出力に加算するように構成される、１２に記載の光エンコーダ。
１４．前記第１の加算器及び前記第２の加算器に関連する処理システムを更に含み、前記処理システムは、前記第１の加算器及び前記第２の加算器のうちの一方からの出力の周波数に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイとの間の相対運動の速度を判定する、１２に記載の光エンコーダ。
１５．前記第１の加算器及び前記第２の加算器に関連する処理システムを更に含み、前記処理システムは、前記第１の加算器及び前記第２の加算器の対応する第１の出力と第２の出力の位相差に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイの間の相対運動の方向を判定する、１２に記載の光エンコーダ。
１６．前記コード部材は細長い部材を含み、前記コード部材上の複数の反射器はラインに沿って配置される、１に記載の光エンコーダ。
１７．前記コード部材はディスク状部材を含み、前記コード部材上の複数の反射器は、前記ディスク状部材の周辺部に沿って配置される、１に記載の光エンコーダ。
１８．複数の反射器を有するコード部材と、
前記反射器のうちの少なくとも１つを含む前記コード部材の領域を照明する位置に配置された光源と、
少なくとも１つの検出器セットを含む検出器アレイであって、前記検出器セットのうちの第１の検出器セットは、隣接関係をなすように配置された第１、第２、第３及び第４の検出器要素を含み、前記コード部材と前記検出器アレイは移動方向に沿って相対的に移動させることができ、前記コード部材が前記検出器アレイに対して相対的に移動する際に、前記コード部材上の反射器が、前記光源によって放射された光を反射し、前記検出器アレイ上を移動する円形又は楕円形の光スポットを生成するように構成される、検出器アレイと、
前記第１の検出器要素及び前記第３の検出器要素に関連し、前記第１の検出器要素によって生成された出力信号から前記第３の検出器要素によって生成された出力信号を減算することにより第１の出力を生成する第１の加算器と、
前記第２の検出器要素及び前記第４の検出器要素に関連し、前記第２の検出器要素によって生成された出力信号から前記第４の検出器要素によって生成された出力信号を減算することにより第２の出力を生成する第２の加算器と
からなる光エンコーダ。
１９．前記反射器は円形または楕円形である、１８に記載の光エンコーダ。
２０．複数の反射器を有するコード部材を用意するステップと、
前記反射器のうちの少なくとも１つを含む前記コード部材の領域を照明する光のビームを生成する光源を、前記コード部材の一方の側に配置するステップと、
前記コード部材の前記光源と同じ側に検出器アレイを配置するステップであって、前記検出器アレイが少なくとも１つの検出器セットを含み、各検出器セットは少なくとも４つの検出器要素を含み、前記検出器アレイは移動方向に沿って前記コード部材に対して相対的に移動させることができ、前記コード部材が前記検出器アレイに対して相対的に移動する際に、前記コード部材上の反射器は、前記検出器アレイ上を移動する円形又は楕円形の光スポットを生成するように構成される、検出器アレイを配置するステップと、
前記検出器アレイの隣接していない少なくとも第１対の検出器要素からの出力信号を結合し、第１の擬似正弦波信号を生成するステップと
からなる方法。
２１．前記コード部材は、円形または楕円形の反射器を備える、２０に記載の方法。
２２．前記光源、前記コード部材及び前記検出器アレイの位置、並びに、前記コード部材上の前記反射器のサイズ及び間隔は、前記コード部材上の反射器によって生成される光スポットが、(i)前記移動方向に沿って、前記検出器セットの１つの幅よりも小さく、且つ、前記検出器要素の１つの幅よりも大きい寸法を有し、(ii)前記検出器アレイの幅にほぼ等しい距離だけ、隣りの光スポットから離隔されるような位置並びにサイズ及び間隔である、２０に記載の方法。
２３．前記第１の擬似正弦波信号の周波数に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイの間の相対運動の速度を判定するステップを更に含む、２０に記載の方法。
２４．前記隣接していない少なくとも一対の検出器要素からの出力信号を結合するステップは、それらの出力信号を互いに減算することからなる、２０に記載の方法。
２５．隣接していない少なくとも第２対の検出器要素からの出力信号を結合し、第２の擬似正弦波信号を生成するステップを更に含み、前記隣接していない少なくとも第２対の検出器要素は、前記隣接していない第１対の検出器要素と交互に配置される、２０に記載の方法。
２６．前記第１の擬似正弦波信号と前記第２の擬似正弦波信号の間の位相差に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイとの間の相対運動の方向を判定するステップを更に含む、２５に記載の方法。
２７．前記隣接していない検出器要素の第２対の検出器要素からの出力信号を結合するステップは、それらの出力信号を互いに減算することからなる、２５に記載の方法。

第１の例示的な光エンコーダを示す斜視図である。この光エンコーダは単一の検出器セットを含む検出器アレイを有する。 図１の光エンコーダに使用されるコードストリップを示す平面図である。 図１の光エンコーダに使用されるコードホイールを示す平面図である。 検出器アレイの個々の検出器要素が一対の加算器にどのように接続されるかを示す、図１の検出器アレイの概略図である。 図１の検出器アレイの検出器要素によって生成される出力信号を示すグラフである。横軸は検出器アレイ上のスポットの動きを示し、縦軸は、種々の検出器要素及び加算器の出力を示す。 検出器アレイの幅方向に対して実質的に平行な移動方向に沿った図１の光スポットの経路を示す概略図である。 検出器アレイの幅方向に対して傾斜した移動方向に沿った図１の光スポットの経路を示す概略図である。 ２つの検出器セットを含む検出器アレイを有する、光エンコーダの他の実施形態を示す斜視図である。 検出器アレイの個々の検出器要素が一対の加算器にどのように接続されるかを示す、図７に示した検出器アレイの概略図である。 図１または図７に示した反射器の例示的な代替の表面形状を示す図である。

Claims (10)

1. コード部材(20)上に複数の反射器(22)を有するコード部材(20)と、
   前記反射器(22)のうちの少なくとも１つを含む前記コード部材(20)の領域を照明する位置に配置された光源(12)と、
   少なくとも１つの検出器セットを含む検出器アレイ(13)であって、前記少なくとも１つの検出器セット(14)がそれぞれ、少なくとも複数の検出器要素(16)を含み、前記コード部材(20)及び前記検出器アレイ(13)が、移動方向に沿って相対的に移動させることが可能であるように構成される、検出器アレイ(13)と、
   前記検出器アレイ(13)の隣接していない少なくとも第１対(32,36)の検出器要素からの出力信号(44,48)を結合し、第１の疑似正弦波信号(52)を生成する第1の加算器(40)と
   を含み、前記コード部材(20)が前記検出器アレイ(13)に対して相対的に移動する際に、前記コード部材(20)上の前記反射器(22)が、前記光源(12)によって放射された光(56,80)を反射し、前記検出器アレイ(13)上を移動する円形または楕円形の光スポット(58)を生成するように構成される、光エンコーダ(10)。
2. 前記反射器(22)は円形または楕円形である、請求項１に記載の光エンコーダ(10)。
3. 前記光源(12)、前記検出器アレイ(13)及び前記コード部材(20)の位置、並びに、前記コード部材上の反射器(22)のサイズは、前記移動方向(24)に沿った前記光スポット(58)の寸法が、前記検出器セット(14)の１つの幅よりも小さく、且つ、前記検出器要素(16)の１つの幅よりも大きくなるような位置並びにサイズである、請求項１に記載の光エンコーダ(10)。
4. 前記光源(12)、前記検出器アレイ(13)及び前記コード部材(20)の位置、並びに、前記コード部材(20)上の反射器(22)の間隔は、前記検出器アレイを照明する光スポットが一度に約１つ生成されるような位置並びに間隔である、請求項３に記載の光エンコーダ(10)。
5. 前記光源(12)、前記検出器アレイ(13)及び前記コード部材(20)の位置、並びに、前記コード部材(20)上の反射器(22)の間隔は、前記検出器アレイ(13)を照明する光スポット(58)が一度に１つだけ生成されるような位置並びに間隔である、請求項３に記載の光エンコーダ(10)。
6. 前記光源(12)、前記検出器アレイ(13)及び前記コード部材(20)の位置、並びに、前記コード部材(20)上の反射器(22)のサイズは、前記移動方向(24)に沿った前記光スポット(58)の寸法が、前記検出器セット(14)の１つの幅の約４０％〜約８０％の範囲内になるような位置並びにサイズである、請求項１に記載の光エンコーダ(10)。
7. 前記光源(12)は、コリメートされた光源であり、
   前記コード部材(20)上の反射器(22)はそれぞれ、前記移動方向(24)に沿って、前記検出器セット(14)の１つの幅よりも小さく、且つ、前記検出器要素(16)の１つの幅よりも大きい寸法を有する、請求項１に記載の光エンコーダ(10)。
8. 前記光源(12)は、コリメートされた光源であり、
   前記コード部材(20)上の反射器(22)はそれぞれ、前記移動方向(24)に沿って、前記検出器セット(14)の１つの幅の約４０％〜約８０％の範囲の直径を有する、請求項１に記載の光エンコーダ(10)。
9. 前記少なくとも１つの検出器セット(14)は、隣接関係をなすように配置された第１、第２、第３及び第４の検出器要素(32,34,36,38)を含む第１の検出器セット(14)を含み、
   前記光エンコーダ(10)は、前記検出器アレイ(13)の隣接していない少なくとも第２対(34,38)の検出器要素からの出力信号(46,50)を結合し、第２の疑似正弦波信号(54)を生成する第２の加算器(42)を更に含む、請求項１に記載の光エンコーダ(10)。
10. コード部材(20)上に複数の反射器(22)を有するコード部材(20)を用意するステップと、
    前記反射器(22)のうちの少なくとも１つを含む前記コード部材(20)の領域を照明する光(56)のビーム(62)を生成する光源(12)を、前記コード部材(20)の一方の側に配置するステップと、
    前記コード部材(20)の前記光源(12)と同じ側に検出器アレイ(13)を配置するステップであって、前記検出器アレイ(13)が少なくとも１つの検出器セット(14)を含み、各検出器セット(14)は少なくとも４つの検出器要素(16)を含み、前記検出器アレイ(13)は移動方向(24)に沿って前記コード部材(20)に対して相対的に移動させることができ、前記コード部材が前記検出器アレイに対して相対的に移動する際に、前記コード部材(20)上の反射器(22)は、前記検出器アレイ(13)上を移動する円形又は楕円形の光スポット(58)を生成するように構成される、検出器アレイ(13)を配置するステップと、
    前記検出器アレイ(13)の隣接していない少なくとも第１対(32,36)の検出器要素からの出力信号(44,48)を結合し、第１の擬似正弦波信号(52)を生成するステップと
    からなる方法。

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