JP2001208567A - リニア運動又は回転運動を定量的に検出するためのオプティカルエンコーダ - Google Patents
リニア運動又は回転運動を定量的に検出するためのオプティカルエンコーダInfo
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
- H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
- H03M1/12—Analogue/digital converters
- H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低減されたコストで製造でき、さらに検出器
側で半導体チップ面積の僅少な消費を有し、同時に周知
の装置の利点、すなわちとりわけ光強度変動に対する非
敏感性を維持したままであるリニア運動又は回転運動を
定量的に検出するためのオプティカルエンコーダを提供
することである。 【解決手段】 上記課題は、検出装置は３つの光受信器
を有し、３つの光受信器の光受信領域は互いに隣接して
ラスタ装置のラスタの方向に対してパラレルに配置され
ており、さらに検出装置の長さはこの方向においてラス
タ装置の半周期から完全な１周期までの領域の長さを有
することによって解決される。
側で半導体チップ面積の僅少な消費を有し、同時に周知
の装置の利点、すなわちとりわけ光強度変動に対する非
敏感性を維持したままであるリニア運動又は回転運動を
定量的に検出するためのオプティカルエンコーダを提供
することである。 【解決手段】 上記課題は、検出装置は３つの光受信器
を有し、３つの光受信器の光受信領域は互いに隣接して
ラスタ装置のラスタの方向に対してパラレルに配置され
ており、さらに検出装置の長さはこの方向においてラス
タ装置の半周期から完全な１周期までの領域の長さを有
することによって解決される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、同じ長さの光透過
領域及び光不透過領域の周期的な配置を含むラスタ装置
を有し、このラスタ装置の方向に光束を放射するための
光放射装置を有し、光束がラスタ装置を通過し、このラ
スタ装置によってこのラスタ装置の運動の結果変調され
た後で光束を検出するための検出装置を有し、運動の速
度及び方向を決定するための、検出装置に結合された評
価回路を有する、リニア運動又は回転運動を定量的に検
出するためのオプティカルエンコーダに関する。とりわ
け本発明は検出装置が３つの光受信器のリニアな配置に
よって形成されるオプティカルエンコーダに関する。
領域及び光不透過領域の周期的な配置を含むラスタ装置
を有し、このラスタ装置の方向に光束を放射するための
光放射装置を有し、光束がラスタ装置を通過し、このラ
スタ装置によってこのラスタ装置の運動の結果変調され
た後で光束を検出するための検出装置を有し、運動の速
度及び方向を決定するための、検出装置に結合された評
価回路を有する、リニア運動又は回転運動を定量的に検
出するためのオプティカルエンコーダに関する。とりわ
け本発明は検出装置が３つの光受信器のリニアな配置に
よって形成されるオプティカルエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】オプティカルエンコーダは、運動体の回
転運動乃至はリニア運動の回転角度乃至は長さ及び方向
を検出するために使用される。このような装置の基本的
な構成部材は放射器システム、ラスタプレート、通常は
ラスタディスク又はラスタ定規及び検出装置である。放
射器システムは通常は発光ダイオード又はレーザダイオ
ードからなり、このダイオードの光射出側にはレンズが
結合されている。発光ダイオードから放射される光束は
ラスタプレートによって変調される。これは運動体に接
続されており、周期的な開口部パターンを有する。検出
装置はこのラスタプレートにより変調された発光ダイオ
ードの送信信号を検出し、出力側から運動の速度及び方
向に関する情報を供給する。
転運動乃至はリニア運動の回転角度乃至は長さ及び方向
を検出するために使用される。このような装置の基本的
な構成部材は放射器システム、ラスタプレート、通常は
ラスタディスク又はラスタ定規及び検出装置である。放
射器システムは通常は発光ダイオード又はレーザダイオ
ードからなり、このダイオードの光射出側にはレンズが
結合されている。発光ダイオードから放射される光束は
ラスタプレートによって変調される。これは運動体に接
続されており、周期的な開口部パターンを有する。検出
装置はこのラスタプレートにより変調された発光ダイオ
ードの送信信号を検出し、出力側から運動の速度及び方
向に関する情報を供給する。
【０００３】オプティカルエンコーダのこれまでのバー
ジョンは付加的な光学系、ラスタプレート及び評価ロジ
ックを有する検出器アレイを有する発光ダイオードから
成る。放射器側では光束が発生され、この光束は検出器
アレイをできるだけ均一に照明する。この検出器アレイ
は４つのフォトダイオードのリニアな配置から成り、こ
れらの４つのフォトダイオードはリニアな運動の方向に
又は回転運動に関して接線上に配置されている。これら
のフォトダイオードの間隔はラスタディスク周期の１/
４であり、隣り合う２つのフォトダイオードの信号は互
いに９０°だけ位相シフトされている。これらのフォト
ダイオードの出力信号は評価回路において適切に処理さ
れ、この結果、運動の速度、すなわちリニア速度又は回
転速度及び方向を供給する。
ジョンは付加的な光学系、ラスタプレート及び評価ロジ
ックを有する検出器アレイを有する発光ダイオードから
成る。放射器側では光束が発生され、この光束は検出器
アレイをできるだけ均一に照明する。この検出器アレイ
は４つのフォトダイオードのリニアな配置から成り、こ
れらの４つのフォトダイオードはリニアな運動の方向に
又は回転運動に関して接線上に配置されている。これら
のフォトダイオードの間隔はラスタディスク周期の１/
４であり、隣り合う２つのフォトダイオードの信号は互
いに９０°だけ位相シフトされている。これらのフォト
ダイオードの出力信号は評価回路において適切に処理さ
れ、この結果、運動の速度、すなわちリニア速度又は回
転速度及び方向を供給する。
【０００４】ＵＳ−Ａ−４６５４５２５には例えば回転
運動のためのオプティカルエンコーダとして使用するた
めのこのような装置が記述されている。この装置では回
転軸を中心として円形のラスタプレートが中心に配置さ
れ、このラスタプレートの周期的な開口部ラスタは光源
と４つのフォトダイオードから成るリニアアレイとの間
に測定すべき回転運動中に通過し、これによってこれら
のフォトダイオードに入射する光が変調される。ラスタ
プレートの開口部ラスタは、このラスタプレートの光透
過領域の幅も光不透過領域の幅も２つの隣り合って配置
されたフォトダイオードの幅に相応するように形成され
ている。これによって４つの同一の、しかし連続的に９
０°だけ互いにシフトされたフォトダイオードの出力信
号（クアドラチュア信号（quadrature signal））が生
成される。これらの出力信号から加算器とコンパレータ
との適切な相互接続によって９０°だけ互いにシフトさ
れた２つのクアドラチュア信号が発生され、これらのク
アドラチュア信号のサンプリングレート及び位相関係が
この回転方向及び回転速度に関する情報を与える。この
ような相互接続によって、光強度における変化を補償す
ることができることが保証される。
運動のためのオプティカルエンコーダとして使用するた
めのこのような装置が記述されている。この装置では回
転軸を中心として円形のラスタプレートが中心に配置さ
れ、このラスタプレートの周期的な開口部ラスタは光源
と４つのフォトダイオードから成るリニアアレイとの間
に測定すべき回転運動中に通過し、これによってこれら
のフォトダイオードに入射する光が変調される。ラスタ
プレートの開口部ラスタは、このラスタプレートの光透
過領域の幅も光不透過領域の幅も２つの隣り合って配置
されたフォトダイオードの幅に相応するように形成され
ている。これによって４つの同一の、しかし連続的に９
０°だけ互いにシフトされたフォトダイオードの出力信
号（クアドラチュア信号（quadrature signal））が生
成される。これらの出力信号から加算器とコンパレータ
との適切な相互接続によって９０°だけ互いにシフトさ
れた２つのクアドラチュア信号が発生され、これらのク
アドラチュア信号のサンプリングレート及び位相関係が
この回転方向及び回転速度に関する情報を与える。この
ような相互接続によって、光強度における変化を補償す
ることができることが保証される。
【０００５】これに匹敵する装置がＵＳ−Ａ−４６９１
１０１でも提案されている。付加的にここではフォトダ
イオード出力信号の増大のために光検出器のリニアな４
重アレイの複数の群を互いに相前後して配置し、互いに
位相の同じフォトダイオードの出力側を電気的に互いに
結合することが提案されている。さらに、代わりの実施
形態が提案されており、この代わりの実施形態ではそれ
ぞれ別の個数の光検出器がグループにまとめられる。
１０１でも提案されている。付加的にここではフォトダ
イオード出力信号の増大のために光検出器のリニアな４
重アレイの複数の群を互いに相前後して配置し、互いに
位相の同じフォトダイオードの出力側を電気的に互いに
結合することが提案されている。さらに、代わりの実施
形態が提案されており、この代わりの実施形態ではそれ
ぞれ別の個数の光検出器がグループにまとめられる。
【０００６】この従来技術に共通するのは、それぞれ面
積においてはラスタプレートのスリット開口部の半分の
大きさを有しかつ電気的に別個にバイアスをかけなくて
はならない少なくとも４つの光検出器、通常は半導体材
料から成るフォトダイオードを含むトータルな光検出器
面が設けられなければならないことである。これは比較
的大きな製造コスト及び半導体チップ面積の消費に結び
つく。
積においてはラスタプレートのスリット開口部の半分の
大きさを有しかつ電気的に別個にバイアスをかけなくて
はならない少なくとも４つの光検出器、通常は半導体材
料から成るフォトダイオードを含むトータルな光検出器
面が設けられなければならないことである。これは比較
的大きな製造コスト及び半導体チップ面積の消費に結び
つく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、低減
されたコストで製造でき、さらに検出器側で半導体チッ
プ面積の僅少な消費を有し、同時に周知の装置の利点、
すなわちとりわけ光強度変動に対する非敏感性を維持し
たままであるリニア運動又は回転運動を定量的に検出す
るためのオプティカルエンコーダを提供することであ
る。
されたコストで製造でき、さらに検出器側で半導体チッ
プ面積の僅少な消費を有し、同時に周知の装置の利点、
すなわちとりわけ光強度変動に対する非敏感性を維持し
たままであるリニア運動又は回転運動を定量的に検出す
るためのオプティカルエンコーダを提供することであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題は、検出装置は
３つの光受信器を有し、３つの光受信器の光受信領域は
互いに隣接してラスタ装置のラスタの方向に対してパラ
レルに配置されており、さらに検出装置の長さはこの方
向においてラスタ装置の半周期から完全な１周期までの
領域の長さを有することによって解決される。
３つの光受信器を有し、３つの光受信器の光受信領域は
互いに隣接してラスタ装置のラスタの方向に対してパラ
レルに配置されており、さらに検出装置の長さはこの方
向においてラスタ装置の半周期から完全な１周期までの
領域の長さを有することによって解決される。
【０００９】
【発明の実施の形態】従って、本発明は、リニア運動又
は回転運動を定量的に検出するためのオプティカルエン
コーダであって、同じ長さの光透過領域及び光不透過領
域の周期的な配置を含むラスタ装置を有し、このラスタ
装置の方向に光束を放射するための光放射装置を有し、
この光束がラスタ装置を通過し、ラスタ装置によってこ
のラスタ装置の運動の結果変調された後で光束を検出す
るための検出装置を有し、運動の速度及び方向を決定す
るための、検出装置に結合された評価回路を有する、リ
ニア運動又は回転運動を定量的に検出するためのオプテ
ィカルエンコーダにおいて、検出装置は３つの光受信器
を有し、これらの３つの光受信器の光受信領域は互いに
隣接してラスタ装置のラスタの方向に対してパラレルに
配置されており、さらに検出装置の長さはこの方向にお
いてラスタ装置の半周期から完全な１周期までの領域の
長さを有する、リニア運動又は回転運動を定量的に検出
するためのオプティカルエンコーダを記述する。
は回転運動を定量的に検出するためのオプティカルエン
コーダであって、同じ長さの光透過領域及び光不透過領
域の周期的な配置を含むラスタ装置を有し、このラスタ
装置の方向に光束を放射するための光放射装置を有し、
この光束がラスタ装置を通過し、ラスタ装置によってこ
のラスタ装置の運動の結果変調された後で光束を検出す
るための検出装置を有し、運動の速度及び方向を決定す
るための、検出装置に結合された評価回路を有する、リ
ニア運動又は回転運動を定量的に検出するためのオプテ
ィカルエンコーダにおいて、検出装置は３つの光受信器
を有し、これらの３つの光受信器の光受信領域は互いに
隣接してラスタ装置のラスタの方向に対してパラレルに
配置されており、さらに検出装置の長さはこの方向にお
いてラスタ装置の半周期から完全な１周期までの領域の
長さを有する、リニア運動又は回転運動を定量的に検出
するためのオプティカルエンコーダを記述する。
【００１０】本発明の有利な実施形態では、検出装置の
長さはラスタ装置の周期の３/４の長さを有する。
長さはラスタ装置の周期の３/４の長さを有する。
【００１１】従って、本発明のオプティカルエンコーダ
は、たった３つのリニアに配置された光受信器から形成
される。これによって、製造コストは周知の装置に比べ
て低減される。周知の装置の利点、すなわち、とりわけ
光強度変動に対する非敏感性を失うことなしにこれは実
現される。これは基本的に次のことに基づく。すなわ
ち、検出装置の本発明の装置において、適切な回路によ
って基準信号が発生され、光強度変動を補償するために
使用されることに基づく。とりわけ、この目的のため
に、評価回路は有利には加算器を含み、この加算器には
第１の光受信器の出力信号及び第３の光受信器の出力信
号が供給され、さらにこの評価回路は加算器に後置接続
されたレベル低減構成素子を含み、このレベル低減構成
素子は加算器から送出される信号のレベルを低減し、こ
のようにしてその出力側において基準信号を供給し、評
価回路はさらに第１のコンパレータ及び第２のコンパレ
ータを有し、第１のコンパレータには第１の光受信器の
出力信号及び基準信号が供給され、これに基づいて第１
のコンパレータはその出力側において第１のクアドラチ
ュア信号を供給し、第２のコンパレータには第２の光受
信器の出力信号及び基準信号が供給され、これに基づい
て第２のコンパレータはその出力側において第２のクア
ドラチュア信号を供給する。このように得られた２つの
クアドラチュア信号は互いに９０°だけ位相シフトされ
ており、これらのパルスシーケンス及びこれらの相対的
な位相は運動の速度及び方向に関する情報を与える。
は、たった３つのリニアに配置された光受信器から形成
される。これによって、製造コストは周知の装置に比べ
て低減される。周知の装置の利点、すなわち、とりわけ
光強度変動に対する非敏感性を失うことなしにこれは実
現される。これは基本的に次のことに基づく。すなわ
ち、検出装置の本発明の装置において、適切な回路によ
って基準信号が発生され、光強度変動を補償するために
使用されることに基づく。とりわけ、この目的のため
に、評価回路は有利には加算器を含み、この加算器には
第１の光受信器の出力信号及び第３の光受信器の出力信
号が供給され、さらにこの評価回路は加算器に後置接続
されたレベル低減構成素子を含み、このレベル低減構成
素子は加算器から送出される信号のレベルを低減し、こ
のようにしてその出力側において基準信号を供給し、評
価回路はさらに第１のコンパレータ及び第２のコンパレ
ータを有し、第１のコンパレータには第１の光受信器の
出力信号及び基準信号が供給され、これに基づいて第１
のコンパレータはその出力側において第１のクアドラチ
ュア信号を供給し、第２のコンパレータには第２の光受
信器の出力信号及び基準信号が供給され、これに基づい
て第２のコンパレータはその出力側において第２のクア
ドラチュア信号を供給する。このように得られた２つの
クアドラチュア信号は互いに９０°だけ位相シフトされ
ており、これらのパルスシーケンス及びこれらの相対的
な位相は運動の速度及び方向に関する情報を与える。
【００１２】レベル低減構成素子は有利には除算器（Te
iler）、加算器から送出される一定の信号のレベルをフ
ァクタ２だけ低減する除算器である。
iler）、加算器から送出される一定の信号のレベルをフ
ァクタ２だけ低減する除算器である。
【００１３】従って、光強度の変動において全ての３つ
の光受信器の出力信号だけではなく同じ程度に基準信号
も変化する。コンパレータではこれらの変動が相殺さ
れ、この結果、コンパレータから送出されるクアドラチ
ュア信号は光強度変動からの影響をうけないでいられ
る。
の光受信器の出力信号だけではなく同じ程度に基準信号
も変化する。コンパレータではこれらの変動が相殺さ
れ、この結果、コンパレータから送出されるクアドラチ
ュア信号は光強度変動からの影響をうけないでいられ
る。
【００１４】検出装置の長さがラスタ装置の周期の３/
４を有する既述の有利な実施形態の場合には、光検出器
及び後続配置された構成素子の出力信号の曲線形状に基
づいて直接的に目指す成果が得られることが見て取れ
る。検出装置の長さに対して設けられるその他の領域の
場合でも、シミュレーション計算によれば、本発明の装
置は満足すべき結果から良好な結果までを与える。基準
信号はなるほどその場合には一定ではなく周期的に変化
するが、それにもかかわらず結果的に得られるクアドラ
チュア信号によって運動の速度及び方向への一意的な推
論が可能である。
４を有する既述の有利な実施形態の場合には、光検出器
及び後続配置された構成素子の出力信号の曲線形状に基
づいて直接的に目指す成果が得られることが見て取れ
る。検出装置の長さに対して設けられるその他の領域の
場合でも、シミュレーション計算によれば、本発明の装
置は満足すべき結果から良好な結果までを与える。基準
信号はなるほどその場合には一定ではなく周期的に変化
するが、それにもかかわらず結果的に得られるクアドラ
チュア信号によって運動の速度及び方向への一意的な推
論が可能である。
【００１５】有利には光受信器は半導体フォトダイオー
ドとして構成され、共通の半導体基板に形成されてい
る。さらに有利には、評価回路もこれらの光受信器とと
もに集積的に共通の半導体基板に形成されている。
ドとして構成され、共通の半導体基板に形成されてい
る。さらに有利には、評価回路もこれらの光受信器とと
もに集積的に共通の半導体基板に形成されている。
【００１６】
【実施例】次に本発明を既述の有利な実施例に基づいて
図１から図４と関係づけて詳しく説明する。
図１から図４と関係づけて詳しく説明する。
【００１７】図１の概略的な図示によれば、ここには図
示されていない光放射装置、有利には半導体ＬＥＤので
きるだけパラレルかつ均質なビーム束１０は平坦なラス
タ装置１、すなわちラスタディスク又はラスタ定規に向
けられる。この半導体ＬＥＤの放射光はレンズによって
平行化された。このラスタ装置１は、光透過領域１１及
び光不透過領域１２から成る周期的なリニアなラスタを
含む。この光透過領域１１及び光不透過領域１２はこの
ラスタの方向に沿って同一の長さを有し、有利には横方
向において同一の大きさである。このラスタ装置１はリ
ニアに運動する対象物か又は回転する対象物かに結合さ
れており、この対象物の運動は本発明のオプティカルエ
ンコーダによってシステマティックに検出されるはずで
ある。
示されていない光放射装置、有利には半導体ＬＥＤので
きるだけパラレルかつ均質なビーム束１０は平坦なラス
タ装置１、すなわちラスタディスク又はラスタ定規に向
けられる。この半導体ＬＥＤの放射光はレンズによって
平行化された。このラスタ装置１は、光透過領域１１及
び光不透過領域１２から成る周期的なリニアなラスタを
含む。この光透過領域１１及び光不透過領域１２はこの
ラスタの方向に沿って同一の長さを有し、有利には横方
向において同一の大きさである。このラスタ装置１はリ
ニアに運動する対象物か又は回転する対象物かに結合さ
れており、この対象物の運動は本発明のオプティカルエ
ンコーダによってシステマティックに検出されるはずで
ある。
【００１８】従って、ラスタ装置１の運動によって光束
１０は空間的及び時間的に変調され、検出装置２に到達
する。この検出装置２は光受信器、とりわけフォトダイ
オード２１（ＰＤ Ａ）、２２（ＰＤ Ｂ）及び２３
（ＰＤ Ｃ）のリニアな配置から構成されている。これ
らのフォトダイオード２１〜２３は互いに独立に動作さ
れるが、これらのフォトダイオードの光受信面はすぐ互
いに隣り合ってラスタ装置１のラスタの方向に対してパ
ラレルに配置されている。本発明の重要な構成は、検出
装置２の長さがラスタ装置１の周期の３/４の長さを有
することである。言い換えれば、２つの互いに隣接して
配置されたフォトダイオードの長さはラスタ装置１の光
透過領域１１又は光不透過領域１２の長さと同じ大きさ
である。従って、図１に図示されたスナップショットに
おいてフォトダイオード２１及びフォトダイオード２２
は完全に光不透過領域１２の下にあり、他方で、フォト
ダイオード２３は完全に光透過領域１１の下にある。
１０は空間的及び時間的に変調され、検出装置２に到達
する。この検出装置２は光受信器、とりわけフォトダイ
オード２１（ＰＤ Ａ）、２２（ＰＤ Ｂ）及び２３
（ＰＤ Ｃ）のリニアな配置から構成されている。これ
らのフォトダイオード２１〜２３は互いに独立に動作さ
れるが、これらのフォトダイオードの光受信面はすぐ互
いに隣り合ってラスタ装置１のラスタの方向に対してパ
ラレルに配置されている。本発明の重要な構成は、検出
装置２の長さがラスタ装置１の周期の３/４の長さを有
することである。言い換えれば、２つの互いに隣接して
配置されたフォトダイオードの長さはラスタ装置１の光
透過領域１１又は光不透過領域１２の長さと同じ大きさ
である。従って、図１に図示されたスナップショットに
おいてフォトダイオード２１及びフォトダイオード２２
は完全に光不透過領域１２の下にあり、他方で、フォト
ダイオード２３は完全に光透過領域１１の下にある。
【００１９】図３にはフォトダイオード２１〜２３の出
力信号が上から順番に時間との関係において示されてい
る。ゼロ点は図１のラスタ装置１と検出装置２との相対
的な位置によって与えられ、このラスタ装置１はこの後
で矢印Ａによって示されている方向に移動する。よっ
て、フォトダイオード２３（ＰＤ Ｃ）はこのゼロ点に
おいてまだその最大信号を示している。なぜなら、この
フォトダイオード２３はまだ光不透過領域１２によって
被覆されていないからである。最初の４分の１周期にお
いてこのフォトダイオード２３の出力信号はリニアにゼ
ロに戻る。なぜなら、ラスタ装置１の光不透過領域１２
が連続的にフォトダイオード２３の上方にシフトするか
らである。同様にフォトダイオード２１の信号はリニア
に最大値まで上昇する。なぜなら、この期間にこのフォ
トダイオード２１の上方の光不透過領域１２がこのフォ
トダイオード２１から遠ざかるからである。フォトダイ
オード２２の出力信号は最初はゼロにある。なぜなら、
このフォトダイオード２２はこの期間に光不透過領域１
２の下にあるからである。しかし、次の４分の１周期に
おいてこのフォトダイオード２２の信号はリニアに最大
値まで上昇する。なぜなら、このフォトダイオード２２
の上方の光不透過領域１２がこのフォトダイオード２２
から遠ざかるからである。フォトダイオード２１の出力
信号はこの期間にまだ最大レベルにある。なぜなら、こ
のフォトダイオード２１はまだ光透過領域１１の下方に
あるからである。これに対して、フォトダイオード２３
の信号はこの期間にはゼロにある。なぜなら、このフォ
トダイオード２３はまだ光不透過領域１２の下方にある
からである。第３の４分の１周期において、フォトダイ
オード２１の出力信号は再びリニアにゼロに戻る。なぜ
なら、光不透過領域１２がこのフォトダイオード２１の
上方にシフトするからである。フォトダイオード２２は
この期間にまだ光透過領域の下方にあり、この結果、こ
のフォトダイオード２２の出力信号は最大レベルに留ま
る。この光透過領域は同様にこの期間にはフォトダイオ
ード２３の上方の領域に入り、この結果、このフォトダ
イオード２３の出力信号はリニアに最大レベルにまで上
昇する。最後の４分の１周期においてフォトダイオード
２１の出力信号はゼロに留まり、フォトダイオード２３
の出力信号は最大レベルに留まり、他方で、フォトダイ
オード２２の出力信号はリニアにゼロに戻る。
力信号が上から順番に時間との関係において示されてい
る。ゼロ点は図１のラスタ装置１と検出装置２との相対
的な位置によって与えられ、このラスタ装置１はこの後
で矢印Ａによって示されている方向に移動する。よっ
て、フォトダイオード２３（ＰＤ Ｃ）はこのゼロ点に
おいてまだその最大信号を示している。なぜなら、この
フォトダイオード２３はまだ光不透過領域１２によって
被覆されていないからである。最初の４分の１周期にお
いてこのフォトダイオード２３の出力信号はリニアにゼ
ロに戻る。なぜなら、ラスタ装置１の光不透過領域１２
が連続的にフォトダイオード２３の上方にシフトするか
らである。同様にフォトダイオード２１の信号はリニア
に最大値まで上昇する。なぜなら、この期間にこのフォ
トダイオード２１の上方の光不透過領域１２がこのフォ
トダイオード２１から遠ざかるからである。フォトダイ
オード２２の出力信号は最初はゼロにある。なぜなら、
このフォトダイオード２２はこの期間に光不透過領域１
２の下にあるからである。しかし、次の４分の１周期に
おいてこのフォトダイオード２２の信号はリニアに最大
値まで上昇する。なぜなら、このフォトダイオード２２
の上方の光不透過領域１２がこのフォトダイオード２２
から遠ざかるからである。フォトダイオード２１の出力
信号はこの期間にまだ最大レベルにある。なぜなら、こ
のフォトダイオード２１はまだ光透過領域１１の下方に
あるからである。これに対して、フォトダイオード２３
の信号はこの期間にはゼロにある。なぜなら、このフォ
トダイオード２３はまだ光不透過領域１２の下方にある
からである。第３の４分の１周期において、フォトダイ
オード２１の出力信号は再びリニアにゼロに戻る。なぜ
なら、光不透過領域１２がこのフォトダイオード２１の
上方にシフトするからである。フォトダイオード２２は
この期間にまだ光透過領域の下方にあり、この結果、こ
のフォトダイオード２２の出力信号は最大レベルに留ま
る。この光透過領域は同様にこの期間にはフォトダイオ
ード２３の上方の領域に入り、この結果、このフォトダ
イオード２３の出力信号はリニアに最大レベルにまで上
昇する。最後の４分の１周期においてフォトダイオード
２１の出力信号はゼロに留まり、フォトダイオード２３
の出力信号は最大レベルに留まり、他方で、フォトダイ
オード２２の出力信号はリニアにゼロに戻る。
【００２０】本発明は、２つのフォトダイオード、すな
わちフォトダイオード２１及び２３の出力信号が互いに
反転した経過を有することを利用する。これは、基準信
号を生成するために利用される。この基準信号を評価回
路の内部で使用することによって、光強度変動の補償が
可能になる。
わちフォトダイオード２１及び２３の出力信号が互いに
反転した経過を有することを利用する。これは、基準信
号を生成するために利用される。この基準信号を評価回
路の内部で使用することによって、光強度変動の補償が
可能になる。
【００２１】本発明のオプティカルエンコーダにおける
評価回路に対する実施例は図２に概略的に図示されてい
る。図示された評価回路は加算器３１を有し、この加算
器３１の２つの入力側には２つのフォトダイオード２１
及び２３の出力信号Ａ及びＣが供給される。これら２つ
の信号の加算は、３つのフォトダイオードの各々の最大
出力レベルの２倍の大きさを有するレベルを有する時間
的に一定な信号を供給する。この時間的に一定な信号は
除算器３４に供給され、この除算器３４はこの信号のレ
ベルをファクタ２だけ低減する。これによって基準信号
（Ａ＋Ｃ）/２が発生される。この基準信号はそれぞれ
コンパレータ３２及び３３の入力側に供給される。コン
パレータ３２及び３３のそれぞれもう１つの入力側には
フォトダイオード２１の出力信号Ａ及びフォトダイオー
ド２２の出力信号Ｂが供給される。これらのコンパレー
タ３２及び３３の出力側からクアドラチュア信号ＱＳ１
及びＱＳ２が供給される。これらのクアドラチュア信号
のカウンティングパルス（Zaehlimplus）ならびにこれ
らのクアドラチュア信号の相対的な位相が最終的に測定
すべき運動の速度及び方向に関する情報を与える。
評価回路に対する実施例は図２に概略的に図示されてい
る。図示された評価回路は加算器３１を有し、この加算
器３１の２つの入力側には２つのフォトダイオード２１
及び２３の出力信号Ａ及びＣが供給される。これら２つ
の信号の加算は、３つのフォトダイオードの各々の最大
出力レベルの２倍の大きさを有するレベルを有する時間
的に一定な信号を供給する。この時間的に一定な信号は
除算器３４に供給され、この除算器３４はこの信号のレ
ベルをファクタ２だけ低減する。これによって基準信号
（Ａ＋Ｃ）/２が発生される。この基準信号はそれぞれ
コンパレータ３２及び３３の入力側に供給される。コン
パレータ３２及び３３のそれぞれもう１つの入力側には
フォトダイオード２１の出力信号Ａ及びフォトダイオー
ド２２の出力信号Ｂが供給される。これらのコンパレー
タ３２及び３３の出力側からクアドラチュア信号ＱＳ１
及びＱＳ２が供給される。これらのクアドラチュア信号
のカウンティングパルス（Zaehlimplus）ならびにこれ
らのクアドラチュア信号の相対的な位相が最終的に測定
すべき運動の速度及び方向に関する情報を与える。
【００２２】図４には最終的に基準信号（Ａ＋Ｃ）/２
及びクアドラチュア信号ＱＳ１及びＱＳ２が時間との関
係において示されている。第１のクアドラチュア信号Ｑ
Ｓ１は、フォトダイオード２１の出力信号Ａがこの基準
信号の一定のレベルよりも小さい間はずっとレベルゼロ
にある。この出力信号Ａがこのレベルよりも大きくなる
やいなや、クアドラチュア信号ＱＳ１はコンパレータ３
２によってバイナリ値１を得る。このケースは最初の４
分の１周期の中間の時点に発生する。第３の４分の１周
期の中間の時点にはフォトダイオード２１の出力信号Ａ
は再び基準信号のレベルの下側の値に降下する。この結
果、クアドラチュア信号ＱＳ１は再びレベルゼロとな
る。同様に、クアドラチュア信号ＱＳ２のレベルは、フ
ォトダイオード２２の出力信号Ｂが基準信号（Ａ＋Ｃ）
/２の一定のレベルより小さい間はずっとゼロにある。
しかし、第２の４分の１周期の中間においてこの出力信
号Ｂはこのレベルを上回る。この結果、クアドラチュア
信号ＱＳ２はコンパレータ３３によってバイナリ値１を
得る。第４の４分の１周期の中間の時点においてようや
くフォトダイオード２２の出力信号Ｂは再び基準信号の
レベルの下に降下する。この結果、クアドラチュア信号
ＱＳ２のこのバイナリ値は再びゼロに降下する。
及びクアドラチュア信号ＱＳ１及びＱＳ２が時間との関
係において示されている。第１のクアドラチュア信号Ｑ
Ｓ１は、フォトダイオード２１の出力信号Ａがこの基準
信号の一定のレベルよりも小さい間はずっとレベルゼロ
にある。この出力信号Ａがこのレベルよりも大きくなる
やいなや、クアドラチュア信号ＱＳ１はコンパレータ３
２によってバイナリ値１を得る。このケースは最初の４
分の１周期の中間の時点に発生する。第３の４分の１周
期の中間の時点にはフォトダイオード２１の出力信号Ａ
は再び基準信号のレベルの下側の値に降下する。この結
果、クアドラチュア信号ＱＳ１は再びレベルゼロとな
る。同様に、クアドラチュア信号ＱＳ２のレベルは、フ
ォトダイオード２２の出力信号Ｂが基準信号（Ａ＋Ｃ）
/２の一定のレベルより小さい間はずっとゼロにある。
しかし、第２の４分の１周期の中間においてこの出力信
号Ｂはこのレベルを上回る。この結果、クアドラチュア
信号ＱＳ２はコンパレータ３３によってバイナリ値１を
得る。第４の４分の１周期の中間の時点においてようや
くフォトダイオード２２の出力信号Ｂは再び基準信号の
レベルの下に降下する。この結果、クアドラチュア信号
ＱＳ２のこのバイナリ値は再びゼロに降下する。
【００２３】クアドラチュア信号ＱＳ１及びＱＳ２のカ
ウンティングパルスはリニア運動又は回転運動の速度に
関する情報を与え、他方でこれらのクアドラチュア信号
ＱＳ１及びＱＳ２の相対的な位相は運動の方向を示す。
従って、このクアドラチュア信号ＱＳ１との関係におい
てクアドラチュア信号ＱＳ２の９０°だけ遅れる位相
は、図１の矢印Ａによる本発明のこの実施例において選
択された運動方向を指示するものである。この方向が反
対である場合には、クアドラチュア信号ＱＳ１及びＱＳ
２の位相もシフトされ、この結果、クアドラチュア信号
ＱＳ１はクアドラチュア信号ＱＳ２に対して９０°だけ
遅れる。
ウンティングパルスはリニア運動又は回転運動の速度に
関する情報を与え、他方でこれらのクアドラチュア信号
ＱＳ１及びＱＳ２の相対的な位相は運動の方向を示す。
従って、このクアドラチュア信号ＱＳ１との関係におい
てクアドラチュア信号ＱＳ２の９０°だけ遅れる位相
は、図１の矢印Ａによる本発明のこの実施例において選
択された運動方向を指示するものである。この方向が反
対である場合には、クアドラチュア信号ＱＳ１及びＱＳ
２の位相もシフトされ、この結果、クアドラチュア信号
ＱＳ１はクアドラチュア信号ＱＳ２に対して９０°だけ
遅れる。
【００２４】光出力が例えばファクタ２だけ減少する場
合、フォトダイオード２１〜２３の出力信号Ａ〜Ｃの経
過はファクタ２だけ強度において減少される。しかし、
同様に基準信号もそのレベルにおいてファクタ２だけ小
さくなる。これは次の事を意味する。すなわち、コンパ
レータに供給される信号の間のチェンジオーバー点（Um
schlagpunkte）が変わらぬ時点に存在するようになり、
この結果、クアドラチュア信号ＱＳ１及びＱＳ２は変わ
らぬ時点にそれらのレベルを０から１へ又は１から０へ
変化することを意味する。従って、これらのクアドラチ
ュア信号ＱＳ１及びＱＳ２はこのオプティカルエンコー
ダの光放射装置の光強度のどんな変動にも依存しない。
合、フォトダイオード２１〜２３の出力信号Ａ〜Ｃの経
過はファクタ２だけ強度において減少される。しかし、
同様に基準信号もそのレベルにおいてファクタ２だけ小
さくなる。これは次の事を意味する。すなわち、コンパ
レータに供給される信号の間のチェンジオーバー点（Um
schlagpunkte）が変わらぬ時点に存在するようになり、
この結果、クアドラチュア信号ＱＳ１及びＱＳ２は変わ
らぬ時点にそれらのレベルを０から１へ又は１から０へ
変化することを意味する。従って、これらのクアドラチ
ュア信号ＱＳ１及びＱＳ２はこのオプティカルエンコー
ダの光放射装置の光強度のどんな変動にも依存しない。
【００２５】加算器３１の出力信号をファクタ２だけ低
減する除算器の代わりに、他のレベル低減構成素子３４
を使用することもでき、この他のレベル低減構成素子３
４によってレベルが充分に低下され、この結果、このレ
ベルをフォトダイオード２１及び２２の出力信号Ａ及び
Ｂが充分に長い期間の間上回ることができる。
減する除算器の代わりに、他のレベル低減構成素子３４
を使用することもでき、この他のレベル低減構成素子３
４によってレベルが充分に低下され、この結果、このレ
ベルをフォトダイオード２１及び２２の出力信号Ａ及び
Ｂが充分に長い期間の間上回ることができる。
【００２６】光放射装置としては従来の半導体ＬＥＤを
このＬＥＤに載置されるプラスティック材料から成るレ
ンズと結合して使用することができる。しかし、垂直共
鳴空洞発光装置、とりわけいわゆるＶＣＳＥＬ（Vertic
al Cavity Surface EmittingLaser）の使用がとりわけ
有利であると見なされる。なぜなら、このＶＣＳＥＬは
とりわけ低いダイバージェンス及び高い輝度によって傑
出しているからである。しかし、光放射装置としてはエ
ッジエミッティング半導体レーザも使用できる。
このＬＥＤに載置されるプラスティック材料から成るレ
ンズと結合して使用することができる。しかし、垂直共
鳴空洞発光装置、とりわけいわゆるＶＣＳＥＬ（Vertic
al Cavity Surface EmittingLaser）の使用がとりわけ
有利であると見なされる。なぜなら、このＶＣＳＥＬは
とりわけ低いダイバージェンス及び高い輝度によって傑
出しているからである。しかし、光放射装置としてはエ
ッジエミッティング半導体レーザも使用できる。
【００２７】最も簡単なケースでは検出装置は３つの互
いに隣接して配置された光受信器から成る。しかし、こ
の検出装置は２つ又はこれより多数の順番に配置された
３重光受信器を有することもできる。
いに隣接して配置された光受信器から成る。しかし、こ
の検出装置は２つ又はこれより多数の順番に配置された
３重光受信器を有することもできる。
【図１】所定の相対的な位置においてラスタ装置と検出
装置とを示した概略図である。
装置とを示した概略図である。
【図２】評価回路の有利な実施形態を示す概略的なブロ
ック図である。
ック図である。
【図３】検出装置の３つの光受信器の出力信号を示す線
図である。
図である。
【図４】基準信号及び評価回路によって得られるクアド
ラチュア信号を示す線図である。
ラチュア信号を示す線図である。
１ ラスタ装置 ２ 検出装置 １０ 光束 １１ 光透過領域 １２ 光不透過領域 ２１ フォトダイオード ２２ フォトダイオード ２３ フォトダイオード ３０ 評価回路 ３１ 加算器 ３２ コンパレータ ３３ コンパレータ ３４ 除算器 ＱＳ１、ＱＳ２ クアドラチュア信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュテファン グロイス オーストリア国 ヴィラッハ ヴェルテナ ウシュトラーセ 14ベー／15 (72)発明者 フランク メルマー ドイツ連邦共和国 マッティング ベー ペントリン アム ミュールグラーベン ４
Claims (7)
- 【請求項１】 リニア運動又は回転運動を定量的に検出
するためのオプティカルエンコーダであって、 同じ長さの光透過領域（１１）及び光不透過領域（１
２）の周期的な配置を含むラスタ装置（１）を有し、 該ラスタ装置（１）の方向に光束を放射するための光放
射装置を有し、 前記光束が前記ラスタ装置（１）を通過し、該ラスタ装
置（１）によって該ラスタ装置（１）の運動の結果変調
された後で前記光束を検出するための検出装置（２）を
有し、 前記運動の速度及び方向を決定するための、前記検出装
置（２）に結合された評価回路（３０）を有する、リニ
ア運動又は回転運動を定量的に検出するためのオプティ
カルエンコーダにおいて、 前記検出装置（２）は３つの光受信器（２１〜２３）を
有し、該３つの光受信器（２１〜２３）の光受信領域は
互いに隣接して前記ラスタ装置（１）のラスタの方向に
対してパラレルに配置されており、さらに前記検出装置
（２）の長さはこの方向において前記ラスタ装置（１）
の半周期から完全な１周期までの領域の長さを有するこ
とを特徴とする、リニア運動又は回転運動を定量的に検
出するためのオプティカルエンコーダ。 - 【請求項２】 検出装置（１）の長さはラスタ装置
（１）の周期の３/４の長さを有することを特徴とす
る、請求項１記載のオプティカルエンコーダ。 - 【請求項３】 評価回路（３０）は加算器（３１）を含
み、該加算器（３１）には第１の光受信器（２１）の出
力信号（Ａ）及び第３の光受信器（２３）の前記出力信
号（Ａ）に対して反転した出力信号（Ｃ）が供給され、 前記評価回路（３０）はさらに前記加算器（３１）に後
置接続されたレベル低減構成素子（３４）を含み、該レ
ベル低減構成素子（３４）は前記加算器（３１）から送
出される信号のレベルを低減し、このようにしてその出
力側において基準信号（（Ａ＋Ｃ）/２）を供給し、 前記評価回路（３１）はさらに第１のコンパレータ（３
２）及び第２のコンパレータ（３３）を有し、前記第１
のコンパレータ（３２）には前記第１の光受信器（２
１）の出力信号（Ａ）及び前記基準信号が供給され、こ
れに基づいて前記第１のコンパレータ（３２）はその出
力側において第１のクアドラチュア信号（ＱＳ１）を供
給し、前記第２のコンパレータ（３３）には前記第２の
光受信器（２２）の出力信号（Ｂ）及び前記基準信号が
供給され、これに基づいて前記第２のコンパレータ（３
３）はその出力側において第２のクアドラチュア信号
（ＱＳ２）を供給することを特徴とする、請求項１記載
のオプティカルエンコーダ。 - 【請求項４】 レベル低減構成素子（３４）は除算器、
とりわけファクタ２の除算器であることを特徴とする、
請求項３記載のオプティカルエンコーダ。 - 【請求項５】 光受信器（２１〜２３）は共通の半導体
基板に形成されていることを特徴とする、請求項１記載
のオプティカルエンコーダ。 - 【請求項６】 評価回路（３１）も同様に前記共通の半
導体基板に形成されていることを特徴とする、請求項５
記載のオプティカルエンコーダ。 - 【請求項７】 光放射装置（２）は半導体ＬＥＤ、とり
わけ垂直共鳴空洞発光ダイオード（ＶＣＳＥＬ）である
ことを特徴とする、請求項１記載のオプティカルエンコ
ーダ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19963809A DE19963809C2 (de) | 1999-12-30 | 1999-12-30 | Optischer Encoder mit dreifacher Photodiode |
| DE19963809.8 | 1999-12-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001208567A true JP2001208567A (ja) | 2001-08-03 |
| JP4970649B2 JP4970649B2 (ja) | 2012-07-11 |
Family
ID=7935016
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000393186A Expired - Fee Related JP4970649B2 (ja) | 1999-12-30 | 2000-12-25 | リニア運動又は回転運動を定量的に検出するためのオプティカルエンコーダ |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6797940B2 (ja) |
| JP (1) | JP4970649B2 (ja) |
| DE (1) | DE19963809C2 (ja) |
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| US4691101A (en) * | 1985-06-19 | 1987-09-01 | Hewlett-Packard Company | Optical positional encoder comprising immediately adjacent detectors |
| DE4318386C2 (de) * | 1993-06-01 | 2002-09-19 | Rohm Co Ltd | Optische Encodervorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines beweglichen Elements |
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-
2000
- 2000-12-25 JP JP2000393186A patent/JP4970649B2/ja not_active Expired - Fee Related
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