JP2010151817A - 反射式光学エンコーダ・システム、装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な迷光が内蔵された光検出器に入射するのを防止する種々の手段を有する高速、高性能、低雑音の光学エンコーダを提供する。
【解決手段】単一ドーム・レンズ５０を有する小型の単一トラック式光学エンコーダ、及び三重ドーム・レンズ付二重トラック式光学エンコーダ内の迷光を阻止するために採用された構造体には、エンコーダの基板４０の第１の側部５６及び第２の側部５８間に配置され、迷光が単一トラック式光検出器４６／４８に入射するのを防止又は阻止するように構成された光学的に不透明な光バリア、エアギャップ・トレンチ、及びコーティングが含まれる。
【選択図】図１

Description

［関連出願との相互参照］
本特許出願は、“Single Track Optical Encoder”という名称のSaidan Saiful Bahari他への米国特許出願第20090206244 A1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ものとする。

［発明の分野］
本願で説明される本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ている構成要素、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。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たり反射されなかったりする。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。

透過式光学エンコーダは、一般に、コントラストが良好なコード・スケール用イメージが発生するため、高速かつ高分解能で動作することができる。たいていの透過式光学エンコーダの高いコントラスト特性により、与えられた出力を補間して容易により高い分解能にすることも可能にされる。透過式光学エンコーダは、通常、発光体を光検出器の反対側に配置する必要があるため、パッケージの設計に関して外形が比較的高くなる。

反射式光学エンコーダでは、発光体と光検出器は同じ基板上に配置されることが多いため、低い外形設計、より少ない材料の数、及びより短い組立時間を実現することができる。反射式光学エンコーダは、一般にコントラストが低く、このことは今度は遅い速度と低い分解能をもたらすことになる。

イメージング式光学エンコーダは、低い外形や安価なコストといった多くの反射式光学エンコーダと同じ利点を特徴として備えているが、拡散性のコード・ホイールも必要としている。さらに、イメージング式光学エンコーダは、拡散反射率が低くまた極めて高い速度で動作することができない。

技術的に周知の反射式光学エンコーダは、光検出器に直接入射する発光体で生じた迷光など、幾つかの性能やアプリケーション上の問題点があることが多い。この迷光の問題は、コントラストを劣化する、エンコーダの性能の低下させる、及び分解能を限定する可能性がある。周知の反射式光学エンコーダはまた、一般に、発光体−検出器の対を中に配置した１つのカプセルに包まれたドームを備えている。そのことは、光コリメーションの不良及びエンコーダの性能や分解能に対する結果として生じる制限をもたらすことが多い。周知の反射式光学エンコーダはまた一般に、最大２チャネルのデータ・コード化又は単一のインデックス・チャネルのようにコード化能力が限定されている。

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。

上記で掲載された日付は、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、出願人又は彼ら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。

以下に記述される「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、単一ドーム・レンズ付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、対向する第１及び第２の側部を備えた上面を有する基板と、この第１の側部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、共通軸に沿って配置された少なくとも１つのデータチャネル用光検出器とインデックス・チャネル用光検出器を備えて、第２の側部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、発光体と単一トラック式光検出器の上にかつそれらと直接接触するように形成されて、発光体とドームとの間又は光検出器とドームとの間にエアギャップが存在しないようにされ、光学的に透明な材料から構成された単一ドーム・レンズと、を具備している。この単一ドーム・レンズは、発光体から放射された光が単一ドーム・レンズの部分を通して屈折されて、コード・スケールから反射されることができるように構成される。コード・スケールは、インデックス・ストリップとデータ・ストリップを有し、かつ共通軸に沿って移動するように構成され、このコード・スケールは単一ドーム・レンズと動作できるように配置されて、コード・スケールから反射された光の少なくとも一部が単一ドーム・レンズに向けられ、そして単一ドーム・レンズの部分を通して屈折されて、光検出器によって検出される。

別の実施形態では、単一ドーム・レンズ付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、対向する第１及び第２の側部を備えた上面を有する基板を提供するステップと、自身から発光するように構成された発光体をこの第１の側部に取り付けるステップと、共通軸に沿って配置された少なくとも１つのデータチャネル用光検出器とインデックス・チャネル用光検出器を備えた単一トラック式光検出器を第２の側部に取り付けるステップと、迷光が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れた光学的に不透明な光バリアを、発光体が付いた第１の側部と単一トラック式光検出器が付いた第２の側部との間の基板に取り付けるステップと、発光体とドームの間又は光検出器とドームの間にエアギャップが存在しないように、発光体と単一トラック式光検出器の上にかつそれらと直接接触するように、光学的に透明な材料から構成された単一ドーム・レンズを形成するステップと、が含まれる。この単一ドーム・レンズは、発光体から放射された光がドーム・レンズの部分を通して屈折されて、コード・スケールから反射されることができるように構成され、コード・スケールは、共通軸に沿って移動するように構成されたインデックス・ストリップとデータ・ストリップを備えている。このコード・スケールは、コード・スケールから反射された光の少なくとも一部が単一ドーム・レンズに向けられ、そして単一ドーム・レンズの部分を通して屈折されて、光検出器によって検出されるように、単一ドーム・レンズと動作可能に配置される。

さらに別の実施形態では、三重ドーム・レンズ付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、第１及び第２の側部の間に配置された第１の軸によって画定された対向する第１及び第２の側部と、第３及び第４の側部の間に配置された第２の軸によって画定された対向する第３及び第４の側部を備えた上面を有する基板と、第１の側部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、第２の側部及び第３の側部による第１のオーバラップによって画定された第１の領域に取り付けられ又は装着されたインデックス・チャネル用検出器と、第２及び第４の側部の第２のオーバラップによって画定された第２の領域に取り付けられ又は装着された少なくとも１つのデータチャネル用検出器とを具備し、第１の軸は第２の軸に対してほぼ垂直であり、発光体は発光体と第１のドーム・レンズとの間にエアギャップが存在しないように、その上にかつ直接接触されるように形成された第１のドーム・レンズによってカバーされ、インデックス・チャネル用検出器はインデックス・チャネル用検出器と第２のドーム・レンズとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身が直接接触するように形成された第２のドーム・レンズによってカバーされ、データチャネル用検出器はデータチャネル用検出器と第３のドーム・レンズとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身と直接接触するように形成された第３のドーム・レンズによってカバーされる。この第１のドーム・レンズは、発光体から放射された光が自身の部分を通して屈折されて、データ・ストリップを有する第１のコード・スケール及び第２のインデックス・スケールから反射されることができるように構成され、第１のコード・スケール及びインデックス・スケールはそれぞれ平行な第３及び第４の軸に沿って移動するように構成され、このインデックス・スケールは第１及び第２のドーム・レンズと動作できるように配置されて、インデックス・スケールから反射された光の少なくとも一部が第２のドーム・レンズに向けられ、その部分で屈折されてインデックス・チャネル用検出器によって検出されるように構成され、コード・スケール又はコード・ホイールは第１及び第３のドーム・レンズと動作できるように配置されて、コード・スケールから反射された光の少なくとも一部が第３のドーム・レンズに向けられ、その部分で屈折されてデータチャネル用検出器によって検出されるように構成される。

さらに別の実施形態が本願で開示されるが、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であろう。

本発明の単一ドーム・レンズ式光学エンコーダに対する１つの実施形態の平面図及び断面図である。 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。 本発明の単一ドーム・レンズ式光学エンコーダに対する別の実施形態の平面図及び断面図である。 本発明の単一ドーム・レンズ式光学エンコーダに対するさらに別の実施形態の平面図及び断面図である。 本発明の単一ドーム・レンズ式光学エンコーダに対するさらに別の実施形態の平面図及び断面図である。 本発明の単一ドーム・レンズ式光学エンコーダに対する種々の実施形態の断面図である。 本発明の三重ドーム・レンズ式光学エンコーダに対する１つの実施形態の平面図及び断面図である。 本発明の三重ドーム・レンズ式光学エンコーダに対する種々の別の実施形態の断面図である。 本発明の三重ドーム・レンズ式光学エンコーダに対する別の実施形態の平面図である。 本発明の三重ドーム・レンズ式光学エンコーダに対する種々の別の実施形態の断面図である。

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、単一及び三重のドーム式の単一及び二重トラック付の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。

図１は、本発明による単一ドーム・レンズ式光学エンコーダ１０に関する１つの実施形態の平面図及び断面図を示している。基板４０は、対向する第１及び第２の側部５６及び５８を備えた上面４１を有している。発光ダイ４２は発光体４４（自身から発光するように構成されている）を含み、基板４０の第１の側部５６に配置されている。単一トラック式光検出器４８が基板４０の第２の側部５８に取り付けられ又は装着されており、少なくとも１つのデータチャネル用光検出器２４とインデックス・チャネル用光検出器２０を備えている。

「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された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のパターンは、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、単一トラック内の単一の共通軸に沿って一緒に移動する。

第１の側部５６は基板４０の上面４１上の第２の側部５８に対向しており、発光体４２／４４から放射された光はコード・スケール３０に向かって上方に移動し、そこから第２の側部５８に向かって下向きに反射されて、光検出器４６／４８によって検出される。好ましい実施形態では、図１に示されているように、単一ドーム・レンズ５０は湾曲した外側レンズ面５４を有し、このレンズ面５４は光線４３及び４７を発光体４２／４４からコード及びインデックス・スケール３０に向けて、またそこから光検出器４６／４８に戻すように成形及び構成される。本願で使用されるように、「コード・スケール」又は「コード及びインデックス・スケール」という用語は、コード・ホイール、コード・ストリップ、コード及びインデックス・スケール、又はコード及びインデックス・ストリップを意味することに注意されたい。データチャネル用光検出器２４及びインデックス・チャネル用光検出器２０は共通軸２７に沿って配列され、この共通軸２７は、その上に動作可能に配列されたコード及びインデックス・スケール３０の移動方向と一致している。

図１の参照を続けると、単一ドーム・レンズ５０は光学的に透明な材料から構成され、この材料は、好ましい実施形態では、成形可能なエポキシである。単一ドーム・レンズ５０は、発光体４２／４４及び単一トラック式光検出器４８の上に、かつそれらと直接接触して形成されて、発光体４２／４４とドーム５０との間又は光検出器４８とドーム５０との間に、エアギャップが存在しないようにする。この単一ドーム・レンズ５０は、発光体から放射された光４３がドーム・レンズの一部分で屈折されて、インデックス・ストリップ３１とデータ・ストリップ３３から成るコード及びインデックス・スケール３０から反射されることができるように構成される。このコード及びインデックス・スケール３０は、共通軸２７に沿って移動するように構成される。コード及びインデックス・スケール３０は単一ドーム・レンズ５０と動作できるように配置されて、コード及びインデックス・スケール３０から反射された光４７の少なくとも一部が単一ドーム・レンズ５０に向かって下方に向けられ、ドーム・レンズの一部分で屈折されて光検出器４６／４８によって検出されるようにする。単一ドーム・レンズ５０の上部すなわち外面５４が、発光体４２／４４と検出器４６／４８の１つ又は両方の上に球面、非球面、又は双円錐の外形をしていることに注意されたい。

図１にさらに示されているように、光検出器４８は、インデックス・チャネル及びデータチャネル用光検出器が上に形成された単一ダイ４６を備えるか、又は別の方法では、それぞれインデックス・チャネル用光検出器とデータチャネル用光検出器のための別個のダイを備えることができる。インデックス・ストリップ３１とデータ・ストリップ３３の下面に形成された反射面３２は、上方に放射された光線４３が反射面で反射されて、下方に放射された光線４７を形成することができるように構成される。

単一ドーム・レンズ５０の外周を囲うように、任意のベベル又はショルダ５２を形成することができる。別の方法では、単一ドーム・レンズ５０の外周を単一ドーム・レンズ５０の最も高い部分の上に周辺部から上方に突出するように構成して、周りに保護リング又はショルダを作るために保護突出部を形成することができる。

図１を引き続き参照する。データチャネル用光検出器２４は、１つの光検出器、技術的に周知のようにＡ及びＡ’データチャネルに対応する少なくとも２つの光検出器、Ａ、Ｂ、Ａ’及びＢ’データチャネルに対応する少なくとも４つの光検出器、又は当面の特定のアプリケーションに対して好適な他の任意の数の光検出器を備えることができる。図１に示されている実施形態では、４つの別個の光検出器がデータチャネル用光検出器２４を形成する。一例として、基板４０はプリント基板又はリードフレームとすることができ、プラスチック又は適当なポリマーから形成される。

図２は、図１に示された光学エンコーダの実施形態によって与えられた例示的な出力信号を示している。図２に示されているように、インデックス・チャネルは出力信号２１を提供する。この出力信号２１は持続時間が、Ａ及びＢデータチャネルによって与えられた出力パルス２３ａ及び２３ｂよりも短いことが好ましい。

図３は、単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダの別の実施形態の平面図と断面図を示している。この図面で、単一ドーム・レンズ５０の外面５４の部分７４がコート又は処理されて、迷光が単一トラック式光検出器４６／４８に入射するのを防止又は阻止している。一例として、迷光すなわち不要な光線が、単一ドーム・レンズ５０内で内部反射された光線、単一ドーム・レンズ５０内で散乱又は拡散された光線、コード・スケール３０又は光学エンコーダ１０又は他の装置又は部品の他の部分から反射された又は散乱又は拡散されたアウト・オブ・ラインの光線を含んでいる可能性がある。レンズ５０の部分７４は、例えば、レーザ・アブレーション、機械的表皮剥脱によって、又はレンズ５０の外面上に適切な光学的に吸収性又は拡散性のコーティング又は材料を配置することによって形成することができる。光検出器４６／４８を散乱された光線やアウト・オブ・ラインの又は不要な光線からシールドするために、レンズ５０の最も高い部分の上に光学的に拡散性又は吸収性の部分を形成するための、当業者には周知の他の手段も検討されまた使用されることができる。

図４は、単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ１０のさらに別の実施形態の平面図と断面図を示している。この光学エンコーダ１０は、一方の第１の側部５６の発光体４２／４４と他方の第２の側部５８の単一トラック式光検出器４６／４８との間に配置された光学的に不透明な光バリア７０を備えている。この光バリア７０は、迷光が単一トラック式光検出器４６／４８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。図４の実施形態により、光学エンコーダ１０の性能を従来技術の装置に対して改良することができる。通常、光学エンコーダの性能は、検出器４６／４８に直接伝搬するか、又は内部で反射され、またレンズ５０内で散乱又は拡散されて、その後検出器に入射する発光体４２／４４から発生する迷光によって、又は他の装置又は部品によって影響される。光バリア７０は、発光体４２／４４と光検出器４６／４８との間で不要なクロストークが発生するのを防止する。このようなクロストークの主な原因は、レンズ５０の上面５４によって画定された内面で反射された光が検出器４６／４８に入射することである。迷光によって、エンコーダのイメージ・コントラストが減少され、かつ得ることができる速度又は周波数が制限される。高性能な光学エンコーダにより、高いレベルのイメージ・コントラストと分解能を得ることができる。光バリア７０を光学エンコーダ１０に組み込むことにより、より高い性能の光学エンコーダを提供することができる。この光バリア７０は、かなりの程度まで不要な迷光が光検出器４６／４８に入射するのを阻止する。その結果、光学エンコーダ１０の雑音レベルは最小にされる。

続けて図４を参照する。１つの実施形態に基づいて、単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ１０を製作する方法も提供される。対向する第１及び第２の側部５６及び５８が付いた上面４１を有する基板４０が、提供又は形成される。発光体４２／４４が基板４０の上面４１の第１の側部５６に取り付けられ、また単一トラック式光検出器４６／４８が上面４１の第２の側部５８に装着されて、データ及びインデックス・チャネル用検出器２０及び２４が共通軸２７に沿って配置されている。光学的に不透明な光バリア７０が、一方の第１の側部５６の発光体４２／４４と他方の第２の側部５８の単一トラック式光検出器４６／４８との間に形成されている。

単一ドーム・レンズ５０が、発光体４２／４４、光バリア７０及び光検出器４６／４８の上に形成される。この単一ドーム・レンズ５０は、発光体４２／４４と単一トラック式光検出器４６／４８の上にかつそれらと直接接触するように配置されて、発光体４２／４４とドーム５０との間及び光検出器４６／４８とドーム５０の間にエアギャップが存在しないようにされた、光学的に透明な材料から構成されている。この単一ドーム・レンズ５０は、発光体４２／４４から放射された光がドーム・レンズ５０の部分を通して屈折されて、コード・スケール３０から反射されることができるように構成される。コード・スケール３０は、共通軸２７に沿って移動するように構成されたインデックス・ストリップ３１とデータ・ストリップ３３を備えている。

１つの方法では、光バリア７０はトランスファ成形又はインサート成形によって形成される。トランスファ成形では、光バリア７０は基板４０上にトランスファ成形され、この基板４０はプリント基板又はリードフレームなどとすることができる。光バリア７０は、不要な光を阻止又は方向を変えるために、光学的に不透明な、光学的に吸収性の、光学的に拡散性の又は光学的に散乱する材料から形成されることが好ましい。光バリア７０を基板４０にトランスファ成形した後で、ダイの取付け及びワイヤ・ボンディング工程が行われる。最後に、光バリア７０やダイ４２及び４６が取り付けられまた上に配置された基板４０が金型の中に置かれて、単一ドーム・レンズ５０が同様にトランスファ形成工程を用いてその上に形成されることが好ましい。

別の方法では、この光バリア７０は高温プラスチックを用いて基板をインサート成形することによって形成され、光バリア７０は基板４０上に手作業で配置される。光バリア７０をトランスファ成形するそのような方法の変形例では、単一ドーム・レンズ５０をトランスファ成形する前に、複数のキャビティ・プラスチック成形された光バリアが、トランスファ成形ツールの中に手作業で配置されるか、又は採用される特別な成形ツールや基板設計に基づいて基板４０上に直接配置される。精度や制御を高めるために、光バリア７０を基板４０上に直接インサート成形することができる。しかしながら、トランスファ成形の工程を行う前に、ダイ４２及び４６が基板４０に取り付けられ、そしてワイヤ・ボンディングが実行される。次に、使用される特別な成形ツール及び工程設計により、光バリア７０が基板に取り付けられるか又は成形ツールの中に挿入される。それに続いて、トランスファ成形を使用して、単一ドーム・レンズ５０を成形し、そしてダイ４２及び４６と光バリア７０をカプセル化することが好ましい。

図５ａは、単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ１０のさらに別の実施形態の平面図と断面図を示している。この単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ１０は、一方の第１の側部５６の発光体４２／４４と他方の第２の側部５８の単一トラック式光検出器４６／４８との間に配置されたエアギャップ・トレンチ７２を備えている。このエアギャップ・トレンチ７２は、発光体４２／４４によって放射された光線が単一トラック式光検出器４６／４８に直接入射するのを防止又は阻止するように構成される。図５ｂは、エアギャップ・トレンチ７２を有する単一ドーム・レンズ付光学エンコーダ１０の別の実施形態の断面図を示している。

図５ｃ及び図５ｄは、単一ドーム・レンズ５０内に配置されたエアギャップ・トレンチ７２を有する単一ドーム・レンズ付光学エンコーダ１０のさらに別の実施形態の断面図を示している。図５ｃ及び図５ｄの実施形態では、部分７４がエアギャップ・トレンチ７２の外面に配置され、この部分７４は、迷光が単一トラック式光検出器４６／４８に入射するのを防止又は阻止するように、コート又は処理されている。レンズ５０の部分７４は、例えば、レーザ・アブレーション、機械的表皮剥脱によって、又はレンズ５０の外面上に適切な光学的に吸収性、拡散性又は散乱性のコーティング又は材料を配置することによって形成することができる。光検出器４６／４８を散乱された光線やアウト・オブ・ラインの又は不要な光線からシールドするために、エアギャップ・トレンチ７２の外面上に光学的に吸収性、拡散性又は散乱性の部分７４を形成するための、当業者には周知の他の手段も検討されまた使用されることができる。エアギャップ・トレンチ７２は、モールディング、研削、アブレーション、及び当業者に周知の他の方法によって形成されることができる。

ここで図１〜図５ｄを参照すると、図面の中に例示されている単一ドーム・レンズ付光学エンコーダ１０は、２個、３個又はそれ以上のデータチャネルを有するインクリメンタル光学エンコーダ、６個又はそれ以上の数のチャネルを有するコミュテーション光学エンコーダ、擬似絶対（pseudo absolute）光学エンコーダ、及び絶対光学エンコーダの中で使用するように適合されることができることが分かる。さらに、図１〜図５ｄに例示されている単一ドーム・レンズ付光学エンコーダ１０は、小型化するために特に好適に適合されることができる。それは、発光体４２／４４と単一トラック式光検出器４６／４８を互いに極めて接近して配置することができ、同時に迷光を最小にする又はほぼ取り除くことができるためである。図１〜図５ｄに例示されている実施形態により、小型の光学エンコーダ用パッケージ１０は、光を送受信するために同じレンズ５０を共有するように構成されることができる。迷光が検出器に入射することによって発生するエンコーダ１０のノイズレベルが最小にされる又は除去されることにより、性能も向上される。このため、このエンコーダ１０は、高速の回転又は線形のシステムの中で使用されることができる。さらに、製造工程や装置には、低価格のトランスファ成形工程を実現するために最小限の投資しか要求されない。この工程は一般に、多くの半導体パッケージのカプセル化の用途に使用される。

ここで図６ａを参照すると、三重ドーム・レンズ付二重トラック式光学エンコーダ１５の１つの実施形態の平面図と断面図が示されている。この三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ１５は、側部の間に配置された第１の軸５７によって分離された対向する第１の側部５６と第２の側部５８が付いた上面４１を有する基板４０を備えている。対向する第３の側部５７と第４の側部５９は、それらの間に配置された第２の軸８３によって分離されており、第１の軸５７はこの第２の軸８３に対してほぼ垂直である。

図６ａの参照を続けると、発光体４２／４４が第１の側部５６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ている。この発光体４２／４４は、その上に形成された第１のドーム・レンズ６０ａによってカバーされると共にそれと直接接触されて、発光体４２／４４と第１のドーム・レンズ６０ａとの間にエアギャップが存在しないようにされている。インデックス・チャネル用検出器２０／４６ｂが、第２の側部５８と第３の側部５７による第１のオーバラップによって画定された第１の領域に取り付けられ又は装着される。このインデックス・チャネル用検出器２０／４６ｂは、インデックス・チャネル用検出器２０／４６ｂと第２のドーム・レンズ４６ｂとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身と直接接触するように形成された第２のドーム・レンズ６０ｂによってカバーされる。

少なくとも１つのデータチャネル用検出器２４／４６ｃが、第２の側部５８と第４の側部５９による第２のオーバラップによって画定された第２の領域に取り付けられ又は装着される。このデータチャネル用検出器２４／４６ｃは、データチャネル用検出器２４／４６ｃと第３のドーム・レンズ４６ｃとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身と直接接触するように形成された第３のドーム・レンズ６０ｃによってカバーされる。

この第１のドーム・レンズ６０ａは、発光体４２／４４から放射された光が自身の部分を通して屈折されて、データ・ストリップ３３を有する第１のコード・スケール３０から反射されることができるように構成される。この第１のドーム・レンズ６０ａは、発光体４２／４４から放射された光が自身の部分を通して屈折されて、インデックス・ストリップ３１を有する第２の別個のインデックス・スケール３０から反射されることができるように構成される。図６ａに示されているように、第１のコード・スケール３０及び第２のインデックス・スケールは、それぞれ平行であるが異なる第３及び第４の軸２３及び２５に沿って移動するように構成される。

このインデックス・スケールは第１及び第２のドーム・レンズ６０ａ及び６０ｂと動作できるように配置されて、インデックス・スケールから反射された光の少なくとも一部が第２のドーム・レンズ６０ｂに向けられ、その部分で屈折されてインデックス・チャネル用検出器２０／４６ｂによって検出されるように構成される。コード・スケール３０は第１及び第３のドーム・レンズ６０ａ及び６０ｃと動作できるように配置されて、コード・スケール３０から反射された光の少なくとも一部が第３のドーム・レンズ６０ｃに向けられ、その部分で屈折されてデータチャネル用検出器２４／４６ｃによって検出されるように構成される。

図６ｂ〜図６ｅは、本発明による三重ドーム・レンズ付光学エンコーダに関する種々の別の実施形態の断面図を示している。これらの実施形態では、エアギャップ・トレンチ７２が、一方の第１の側部５６の発光体４２／４４と他方の第２の側部５８の二重トラック式光検出器４６ｂ／２０及び４６ｃ／２４との間に配置されている。エアギャップ・トレンチ７２は、発光体４２／４４によって放射された光線が二重トラック式光検出器４６ｂ／２０及び４６ｃ／２４に直接入射するのを防止又は阻止するように構成される。図６ｃ及び図６ｅの実施形態では、部分７４がエアギャップ・トレンチ７２の外面に配置され、この部分７４は、迷光が二重トラック式光検出器２０及び２４に入射するのを防止又は阻止するように、コート又は処理されている。部分７４は、例えば、レーザ・アブレーション、機械的表皮剥脱によって、又はエアギャップ・トレンチ７３の外面上に適切な光学的に吸収性、拡散性又は散乱性のコーティング又は材料を配置することによって形成することができる。光検出器４６ｂ／２０及び４６ｃ／２４を迷光からシールドするために、エアギャップ・トレンチ７２の外面上に光学的に拡散性、吸収性又は散乱性の部分７４を形成するための、当業者には周知の他の手段も使用されることができる。エアギャップ・トレンチ７２は、モールディング、研削、アブレーション、及び当業者に周知の他の方法によって形成されることができる。

ここで図７ａを参照すると、三重ドーム・レンズ付二重トラック式光学エンコーダ１５に関する別の実施形態の平面図及び断面図が示されている。この三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ１５は、側部の間に配置された第１の軸５７によって分離された対向する第１の側部５６と第２の側部５８が付いた上面４１を有する基板４０を備えている。対向する第３の側部５７と第４の側部５９は、それらの間に配置された第２の軸８３によって分離されており、第１の軸５７はこの第２の軸８３に対してほぼ垂直である。

図７ａの参照を続けると、発光体４２／４４が第１の側部５６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ている。この発光体４２／４４は、その上に形成された第１のドーム・レンズ６０ａによってカバーされると共にそれと直接接触されて、発光体４２／４４と第１のドーム・レンズ６０ａとの間にエアギャップが存在しないようにされている。インデックス・チャネル用検出器２０／４９が、第２の側部５８と第３の側部５７による第１のオーバラップによって画定された第１の領域に取り付けられ又は装着される。このインデックス・チャネル用検出器２０／４９は、インデックス・チャネル用検出器２０／４９と第２のドーム・レンズ４６ｂとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身と直接接触するように形成された第２のドーム・レンズ６０ｂによってカバーされる。少なくとも１つのデータチャネル用検出器２４／４９が、第２の側部５８と第４の側部５９による第２のオーバラップによって画定された第２の領域に取り付けられ又は装着される。このデータチャネル用検出器２４／４９は、データチャネル用検出器２４／４９と第３のドーム・レンズ４６ｃとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身と直接接触するように形成された第３のドーム・レンズ６０ｃによってカバーされる。

この第１のドーム・レンズ６０ａは、発光体４２／４４から放射された光が自身の部分を通して屈折されて、データ・ストリップ３３を有する第１のコード・スケール３０から反射されることができるように構成される。この第１のドーム・レンズ６０ａは、発光体４２／４４から放射された光が自身の部分を通して屈折されて、インデックス・ストリップ３１を有する第２のインデックス・スケールから反射されることができるようにさらに構成される。図７ａに示されているように、第１のコード・スケール３０及び第２のインデックス・スケールは、それぞれ平行であるが異なる第３及び第４の軸２３及び２５に沿って移動するように構成される。このインデックス・スケールは第１及び第２のドーム・レンズ６０ａ及び６０ｂと動作できるように配置されて、インデックス・スケールから反射された光の少なくとも一部が第２のドーム・レンズ６０ｂに向けられ、その部分で屈折されてインデックス・チャネル用検出器２０／４９によって検出されるように構成される。コード・スケール３０は第１及び第３のドーム・レンズ６０ａ及び６０ｃと動作できるように配置されて、コード・スケール３０から反射された光の少なくとも一部が第３のドーム・レンズ６０ｃに向けられ、その部分で屈折されてデータチャネル用検出器２４／４９によって検出されるように構成される。

図７ａ、図７ｂ及び図７ｃに示されているように、光学的に不透明な光バリア７０が、第１の側部５６と第２の側部５８との間に配置され、発光体４２／４４から放射された光線が二重トラック式光検出器２０／４９及び２４／４９に直接入射するのを防止又は阻止するように構成されている。図７ａに示されている実施形態により、二重トラック式光学エンコーダ１５の性能が改良されることができる。通常、光学エンコーダの性能は迷光に影響される。そのような迷光はエンコーダのイメージ・コントラストを低下させ、かつ達成できる最大速度又は周波数を制限する。高性能な光学エンコーダにより、高いレベルのイメージ・コントラストと分解能を得ることができる。光バリア７０を光学エンコーダ１５に組み込むことにより、より高い性能の光学エンコーダを提供することができる。この光バリア７０は、不要な迷光が光検出器２０／４９及び２４／４９に入射するのを十分に阻止する。その結果、光学エンコーダ１５の雑音レベルは最小にされる。

ここで図７ｄを参照すると、第１の側部５６と第２の側部５８との間に配置された部分７４を備えている二重トラック式光学エンコーダの別の実施形態が示されている。この部分７４は、この部分７４は、迷光が二重トラック式光検出器２０／４９及び２４／４９に入射するのを防止又は阻止するように、コート又は処理されている。この部分７４は、例えば、レーザ・アブレーション、機械的表皮剥脱によって、又は一方の第１のドーム・レンズ６０ａと、他方の第２及び第３のドーム・レンズ６０ｂ及び６０ｃとの間に配置された領域の外面上に、適切な光学的に吸収性、拡散性又は散乱性のコーティング又は材料を配置することによって形成することができる。光検出器２０／４９及び２４／４９を迷光からシールドするために、光学エンコーダ１５の外面上に光学的に拡散性、吸収性又は散乱性の部分７４を形成するための、当業者には周知の他の手段も検討されまた使用されることができる。

さらに、図６ａ〜図７ｄに示されているように、第１、第２及び第３のドーム・レンズ６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、その周辺部の周りに配置された少なくとも１つのベベル５２と保護突出部を備えている。図７ａに示されているように、少なくとも１つのデータチャネル用光検出器２４／４９及びインデックス・チャネル用光検出器２０／４９は、１つのダイ上に配置されるか、又は別の方法では、それぞれインデックス・チャネル用光検出器２０とデータチャネル用光検出器２４を含む別個のダイを備えることができる。第１、第２及び第３のドーム・レンズ６０ａ、６０ｂ及び６０ｃの外面５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは、当面の特定のアプリケーションに基づいて、球面、非球面、又は双円錐とすることができる。第１、第２及び第３のドーム・レンズ６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、光学的に透明で成形可能なエポキシから形成されることが好ましい。

図６ａ〜図７ｄに示されている三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダは、データチャネル用光検出器２４が、当面の特定のアプリケーションに基づいて、１つの光検出器、それぞれＡ及びＢデータチャネルに対応する少なくとも２つの光検出器、それぞれＡ、Ｂ、Ａ’及びＢ’に対応する少なくとも４つの光検出器、又は他の任意の数の光検出器を備えるように構成することができる。基板４０はプリント基板又はリードフレームとすることができ、プラスチック又は適当なポリマーを含むことができる。

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。

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、変更例及び修正例は、本発明の範囲の中に含まれるものとする。

Claims (26)

1. 対向する第１及び第２の側部を備えた上面を有する基板と、
   前記第１の側部に取り付けられ又は装着され、そこから発光するように構成された発光体と、
   共通軸に沿って配置された少なくとも１つのデータチャネル用光検出器及びインデックス・チャネル用光検出器を有し、前記第２の側部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、
   前記発光体と前記単一トラック式光検出器の上に、かつそれらと直接接触するように形成され、前記発光体と自身との間、又は前記光検出器と自身との間にエアギャップが存在しないようにされた、光学的に透明な材料から構成された単一ドーム・レンズと
   を具備し、
   前記単一ドーム・レンズは、前記発光体から放射された光が自身の部分を通して屈折されて、コード・スケールから反射されることができるように構成され、前記コード・スケールは、インデックス・ストリップとデータ・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、前記コード・スケールが前記単一ドーム・レンズと動作できるように配置されて、前記コード・スケールから反射された光の少なくとも一部が前記単一ドーム・レンズに向けられ、前記単一ドーム・レンズの部分を通して屈折されて、前記光検出器によって検出される、単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
2. 前記発光体が付いた第１の側部と、前記単一トラック式光検出器が付いた第２の側部との間に配置され、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れた光学的に不透明な光バリアをさらに備える請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
3. 前記発光体が付いた第１の側部と、前記単一トラック式光検出器が付いた第２の側部との間に配置され、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れたエアギャップ・トレンチをさらに備える請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
4. 前記エアギャップ・トレンチの外面が、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さらにコート又は処理される請求項３に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
5. 前記単一ドーム・レンズの外面が、前記発光体によって放射された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コート又は処理される請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
6. 前記単一ドーム・レンズが、その周辺部の周りに配置されたベベル及び保護突出部の少なくとも１つをさらに備える請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
7. 前記少なくとも１つの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単一のダイ上に配置される請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
8. 前記単一ドーム・レンズの外面が、球面、非球面、又は双円錐の少なくとも１つを含む請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
9. 前記単一ドーム・レンズがエポキシから構成される請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
10. 前記データチャネル用光検出器が、それぞれＡ及びＢデータチャネルに対応する少なくとも２つの光検出器をさらに備える請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
11. 前記データチャネル用光検出器が、それぞれＡ、Ｂ、Ａ’及びＢ’データチャネルに対応する少なくとも４つの光検出器をさらに備える請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
12. 前記基板が、プラスチックを含む又はポリマーから形成されたプリント基板又はリードフレームである請求項１に記載の単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
13. 対向する第１及び第２の側部を備えた上面を有する基板を提供するステップと、
    自身から発光するように構成された発光体を前記第１の側部に取り付けるステップと、
    共通軸に沿って配置された少なくとも１つのデータチャネル用光検出器とインデックス・チャネル用光検出器を備えた単一トラック式光検出器を前記第２の側部に取り付けるステップと、
    前記発光体が付いた第１の側部と、前記単一トラック式光検出器が付いた第２の側部との間の基板に、前記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れた光学的に不透明な光バリアを取り付けるステップと、
    前記発光体とドームの間又は前記光検出器とドームの間にエアギャップが存在しないように、前記発光体と前記単一トラック式光検出器の上にかつそれらと直接接触するように、光学的に透明な材料から構成された単一ドーム・レンズを形成するステップと
    を含む、単一ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダを製作する方法であって、前記単一ドーム・レンズは、前記発光体から放射された光が自身の部分を通して屈折されて、コード・スケールから反射されることができるように構成され、前記コード・スケールは、インデックス・ストリップとデータ・ストリップを有して、前記共通軸に沿って移動するように構成され、前記コード・スケールが前記単一ドーム・レンズと動作できるように配置されて、前記コード・ストリップ又はコード・ホイールから反射された光の少なくとも一部が前記単一ドーム・レンズに向けられ、前記単一ドーム・レンズの部分を通して屈折されて、前記光検出器によって検出される、方法。
14. 前記光バリアがトランスファ成形及びインサート成形の１つによって形成される請求項１３に記載の方法。
15. 第１及び第２の側部の間に配置された第１の軸によって画定された対向する第１及び第２の側部と、第３及び第４の側部の間に配置された第２の軸によって画定された対向する第３及び第４の側部を含む上面を有する基板と、
    前記第１の側部に取り付けられ又は装着され、そこから発光するように構成された発光体と、
    前記第２の側部及び前記第３の側部による第１のオーバラップによって画定された第１の領域に取り付けられ又は装着されたインデックス・チャネル用検出器と、
    前記第２の側部及び前記第４の側部による第２のオーバラップによって画定された第２の領域に取り付けられ又は装着された少なくとも１つのデータチャネル用検出器と
    を具備する、三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダであって、
    前記第１の軸は前記第２の軸に対してほぼ垂直であり、前記発光体は自身と第１のドーム・レンズとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身と直接接触するように形成された前記第１のドーム・レンズによってカバーされ、前記インデックス・チャネル用検出器は自身と第２のドーム・レンズとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身が直接接触するように形成された前記第２のドーム・レンズによってカバーされ、前記データチャネル用検出器は自身と第３のドーム・レンズとの間にエアギャップが存在しないように、自身の上にかつ自身と直接接触するように形成された前記第３のドーム・レンズによってカバーされ、
    前記第１のドーム・レンズは、前記発光体から放射された光が前記第１のドーム・レンズの部分を通して屈折されて、データ・ストリップを有する第１のコード・スケール及び第２のインデックス・スケールから反射することができるように構成され、前記第１のコード・スケール及び前記第２のインデックス・スケールはそれぞれ平行であるが別個の第３及び第４の軸に沿って移動するように構成され、前記インデックス・スケールは前記第１及び第２のドーム・レンズと動作できるように配置されて、前記インデックス・スケールから反射された光の少なくとも一部が前記第２のドーム・レンズに向けられ、前記第２のドーム・レンズの部分で屈折されて前記インデックス・チャネル用検出器によって検出されるように構成され、前記コード・スケールは前記第１及び第３のドーム・レンズと動作できるように配置されて、前記コード・スケールから反射された光の少なくとも一部が前記第３のドーム・レンズに向けられ、前記第３のドーム・レンズの部分で屈折されて前記データチャネル用検出器によって検出されるように構成される、三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
16. 前記発光体が付いた第１の側部と前記第２及び第３のドーム・レンズが付いた第２の側部との間に配置され、迷光が前記インデックス・チャネル用検出器又はデータチャネル用検出器に直接入射するのを防止又は阻止するように構成された光学的に不透明な光バリアをさらに備える請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
17. 前記発光体が付いた第１の側部と、前記第２及び第３のドーム・レンズが付いた前記第２の側部との間に配置され、迷光が前記インデックス・チャネル用検出器又はデータチャネル用検出器に入射するのを防止又は阻止するように構成されたエアギャップ・トレンチをさらに備える請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
18. 前記エアギャップ・トレンチの外面が、迷光が前記インデックス・チャネル用検出器又はデータチャネル用検出器に入射するのを防止又は阻止するようにコート又は処理される請求項１７に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
19. 前記第１及び第２の側部の間に延長する材料の部分が、迷光が前記インデックス・チャネル用検出器又はデータチャネル用検出器に入射するのを防止又は阻止するようにコート又は処理される請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
20. 前記第１、第２及び第３のドーム・レンズの少なくとも１つが、その周辺部の周りに配置されたベベル及び保護突出部の少なくとも１つをさらに備える請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
21. 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の少なくとも１つが単一のダイ上に配置される請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
22. 前記単一ドーム・レンズの外面が、球面、非球面、又は双円錐の少なくとも１つを含む請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
23. 前記単一ドーム・レンズがエポキシから構成される請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
24. 前記データチャネル用光検出器が、それぞれＡ及びＢデータチャネルに対応する少なくとも２つの光検出器をさらに備える請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
25. 前記データチャネル用光検出器が、それぞれＡ、Ｂ、Ａ’及びＢ’データチャネルに対応する少なくとも４つの光検出器をさらに備える請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。
26. 前記基板が、プラスチックを含む又はポリマーから形成されたプリント基板又はリードフレームである請求項１５に記載の三重ドーム・レンズ付反射式光学エンコーダ。

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