JP2014134540A - 差分インデックスを有するシングルトラック・スリーチャネル・エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で単純な構成のスリーチャネル・エンコーダの提供。
【解決手段】光学エンコーダを開示する。具体的には、３つのチャネル全てについて単一トラックを使用するスリーチャネル・エンコーダを開示する。インデックスチャネルは、増分角度位置を判定するために使用される第１及び第２のチャネルと同じ光学トラック上に設けられる。したがって、より小型で単純な構成のスリーチャネル・エンコーダが得られる。
【選択図】図７

Description

本開示は、概して、エンコーダに関し、より具体的には、光学エンコーダに関する。

シャフトエンコーダとも呼ばれるロータリーエンコーダは、シャフト又は軸の角度位置をアナログコード又はデジタルコードに変換し、それによって角度変換器として動作する電気機械装置である。ロータリーエンコーダは、工業的制御、ロボット工学、特殊な目的の写真用レンズ、コンピュータ入力デバイス（例えば、光機械式マウス及びトラックボール）、プリンター、及び回転レーダー・プラットフォームを含む、制限の無い正確なシャフト回転を必要とする多数の応用形態に使用されている。ロータリーエンコーダの２つの主なタイプとしては、絶対値型と、インクリメンタル（相対値型）とがある。

直交エンコーダ又は相対値ロータリーエンコーダとも呼ばれるインクリメンタル・ロータリーエンコーダは、従来、直交出力と呼ばれる２つの出力を有している。これら２つの出力は、機械式であっても、光学式であってもよい。光学式の場合、従来、２つのバー・ウィンドウ符号化トラックが存在するが、機械式は、回転シャフト上のカムによって駆動される２つの接点を有する。光学式インクリメンタル・エンコーダは、従来、Ａ及びＢと呼ばれる２つの出力を採用しており、それらは、９０度だけ位相がずれているため、直交出力と呼ばれる。

インクリメンタル・エンコーダの一つのバリエーションは、正弦波エンコーダである。２つの直交方形波を生成する代わりに、出力は、正弦波（正弦、及び余弦）である。逆正接関数を実施することにより、任意レベルの分解能を実現することができる。

通常のツーチャネル・インクリメンタル・エンコーダは、その出力部に、９０度だけシフトされた２チェーンのパルスを生成する。パルスをカウントし、パルス間の位相（第１チャネルが第２チャネルに先行、又はその逆）を調べることにより、回転の速度及び方向を判定することが可能である。ツーチャネル・インクリメンタル・エンコーダに対し大幅な改良をしたものが、スリーチャネル・インクリメンタル・エンコーダである。追加されたチャネルは、インデックスである。すなわち、一回転につき一回だけ、１つのパルスが生成され、そのパルスは、ゼロ位置基準として機能し、増分角度位置の計算を可能にする場合がある。

ツーチャネル・インクリメンタル・エンコーダのための光学系は、コードホイール上に１本のトラック（バー及びウィンドウのパターン）があるのみで十分であるという事実により、単純化される。スリーチャネル・エンコーダの単純な実施形態は、インデックスを示す第２のトラックをコードホイール上に必要とする場合がある。残念ながら、第２のトラックの導入は、より広い面積を必要とするため、コードホイールパターンをセンサー領域に投影する光学系に制限を加えた。これは、反射型エンコーダにおいて特に問題となり、したがって、より小さいサイズにすることが望まれた。

上記の欠点を克服するために、３つのチャネルを全て単一の光学トラック上に有するスリーチャネル・インクリメンタル・エンコーダが開発され、オーガスティニアク他による米国特許出願公開第２０１２／０２０５５２８号に記載されており、その内容全部が、参照により本明細書に援用される。本開示の種々の実施形態は、３つのチャネルを全て単一の光学トラック上に有するスリーチャネル・エンコーダに対するさらなる改良を提供する。

具体的には、本開示の種々の実施形態は、差分インデックスを有する単一トラック・スリーチャネル・エンコーダを提供する。具体的には、このエンコーダは、エンコーダのコードホイール又はコードストリップ上に、インデックス用の追加的なウィンドウを備えている。この追加的なウィンドウは、追加的なインデックス信号（本明細書では、追加的なウィンドウから離れたところで生成される本来のインデックス信号「Ｉ」とは対照的に、「Ｉ／」と呼ばれる）を生成するために使用される。Ｉ及びＩ／両方の処理（例えば、次の式：［Ｉ−（Ｉ／）］による）は、不整合状態にあるコードホイール又はコードストリップに対しあまり敏感でない差分インデックス信号の生成を提供する。

一部の実施形態では、全てのチャネルが単一の光学トラック上に整列された３つのチャネルを有するスリーチャネル・エンコーダのために、エンコーダ用のコードホイール又はコードストリップが用意される。より具体的には、本明細書に記載されるコードホイール又はコードストリップは、コードホイール又はコードストリップ上の非インデックス・バー又はウィンドウの幅の少なくとも２倍に実質的に対応する幅を有する少なくとも１つの追加的ウィンドウ（又は「インデックス・ウィンドウ」）を含む。さらにもっと具体的には、インデックス・ウィンドウは、コードホイール又はコードストリップ上の非インデックス・バー又はウィンドウの幅の少なくとも３倍の幅を有する。一部の実施形態において、インデックス・ウィンドウとインデックス・バーとの間の距離は、第１のインデックス・フォトダイオードの中心と、エンコーダの集積回路（ＩＣ）の第２のインデックス・フォトダイオードの中心との間の距離に実質的に等しい。

単純化のために、本明細書において、大半の実施形態は、リニアシステムに関連して記載されるが、当然ながら、本開示の実施形態がそのように制限されることはない。具体的には、本明細書に開示される概念は、ロータリーエンコーダ及びリニア・エンコーダの両方に適用することができ、また、ロータリーシステム及びリニアシステムの両方に適用することができる。換言すれば、コードホイール又はコードストリップは、本明細書に開示された１以上の特徴を有するように構成される場合がある。さらに、本開示の種々の実施形態は、主に反射型エンコーダに関連して記載されるが、当然ながら、本明細書に開示される特徴の１以上は、如何なるタイプのエンコーダにも組み込むことが可能である。例えば、本明細書に開示される概念は、スリーチャネル用のインクリメンタル・エンコーダ、スリーチャネル用の反射型エンコーダ、透過型エンコーダ、又はそれらの結合に組み込むことができる。

本開示は、図面及び下記の詳細な説明から、より良好に理解される。発明の詳細な説明は、種々の特定の詳細を記載しているが、本発明の特定の実施形態は、それらの特定の詳細なしに実施される場合もあると考えられる。また、実施形態によっては、周知の回路、構成部品、及び技術については、発明の理解が曖昧になることを避けるために、詳細には記載されない場合があると考えられる。

本開示は、添付の図面に関連して説明される。

本開示の種々の実施形態による、光学エンコーディングシステムの種々の構成要素を示すブロック図である。 コードホイールの部分概略図である。 コードホイール又はコードストリップトラックに対するフォトダイオードアレイの第１の概略レイアウトを示す図である。 通常アライメント状態における、図３のフォトダイオードアレイにより出力されるＡチャネル及びインデックスチャネルの波形図である。 コードホイール又はコードストリップがフォトダイオードアレイに対して不整合状態にあるときの、図３のフォトダイオードアレイにより出力されるＡチャネル及びインデックスチャネルの波形図である。 通常アライメント状態において、フォトダイオード上に投影される像を示す図である。 不整合状態において、フォトダイオード上に投影される像を示す図である。 フォトダイオードに対する像の生じ得る不整合方向を示す図である。 通常アライメント状態におけるエンコーダ出力を示す図である。 不整合状態におけるエンコーダ出力を示す図である。 本開示の種々の実施形態による、コードホイール又はコードストリップトラックに対するフォトダイオードアレイの概略レイアウトを示す図である。 本発明の種々の実施形態によるスリーチャネル・エンコーダを動作させる方法を示すフロー図である。

次の説明は、単に種々の実施形態を提供するためのものであり、特許請求の範囲、適用可能性、又は構成を制限する意図のものではない。むしろ、次の説明は、記載した実施形態を実施するための有効な説明を当業者に提供するものである。添付の特許請求の思想及び範囲から外れることなく、種々の要素の機能及び構成に種々の変更を施すことが可能であるものと考えられる。

次に図１を参照し、本開示の種々の実施形態にしたがって、反射型光学エンコーディングシステム１００の種々の構成要素について説明する。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、コードホイール１０４、エンコーダ１０６、デコーダ１０８、及びマイクロプロセッサ１１０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に物理的に結合されたコーティング又は基板である。一部の実施形態において、反射性材料１０２の反射性表面は、エンコーダ１０６の反対側においてコードホイール１０４に結合される場合がある。一部の実施形態において、反射性材料１０２は、任意のタイプの既知の材料堆積技術を使用して、コードホイール１０４の上に堆積される場合がある。

コードホイール１０４のより詳細な例は図２に示されているが、ここでは、図１に示した反射型光学エンコーディングシステム１００の動作に関して、簡単な説明を行う。一般に、コードホイール１０４は、非反射性セクション１４２（バー１４２と呼ばれることもある）と反射性セクション１４４（ウィンドウ１４４と呼ばれることもある）からなる光学トラック１４０を含む。光学トラック１４０は、インデックス・バー１４６をさらに含む場合があり、インデックス・バー１４６も非反射性であるが、非反射性セクション１４２よりも広い面積を有する。

エンコーダ１０６におけるエミッタ１２０は、コードホイール・トラック１４０に入射する光を生成する。コードホイール１０４が例えばモーター・シャフト（図示せず）により回転される際に、入射光は、トラック１４０の非反射性セクション１４２、１４６によって反射されないが、トラック１４０の反射性セクション１４４によって反射される。その結果、光は、トラック１４０によって、変調パターン（すなわち、オン−オフ−オン−オフ等）を成して反射される。エンコーダ１０６における検出器１３０は、変調された反射光信号を検出し、これに応答して、１以上の周期性チャネル信号（例えば、ＣＨ_Ａ及びＣＨ_Ｂ）を生成し、さらに、インデックス・セクション１４６がエンコーダ１０６の上を通過するときに、インデックス信号（ＣＨ_Ｉ）を生成する。一実施形態において、これらのチャネル信号及びインデックス信号は、その後、デコーダ１０８に伝送され、デコーダ１０８は、カウント信号、及び場合によってはインデックス信号を生成し、生成された信号をマイクロプロセッサ１１０に伝送する。

マイクロプロセッサ１１０は、カウント信号を使用して、コードホイール１０４が結合された相手方の例えばモーター・シャフト又は他の可動部品の増分運動を評価する。インデックス信号は、コードホイール１０４が結合された相手方のモーター・シャフト又は可動部品の回転数を評価するために使用される。増分信号出力及びインデックス出力の使用により、より正確な光学エンコーディングシステム１００が実現される。

一部の実施形態において、エンコーダ１０６は、エミッタ１２０及び検出器１３０を含む。エミッタ１２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源１２２を含む。便宜上、ここでは、光源１２２がＬＥＤであるものとして記載されるが、当然ながら、他の光源又は複数の光源が実施される場合もある。一実施形態において、ＬＥＤ１２２は、電流制限抵抗器Ｒ_Ｌを通じて駆動信号Ｖ_ＬＥＤにより駆動される場合がある。そのような駆動回路の詳細は周知である。エミッタ１２０は、実施形態によっては、投射光を特定経路に、又は特定パターンを成すように導くために、ＬＥＤ１２２に対して整列されたレンズ１２４をさらに含む場合がある。

一実施形態において、検出器１３０は、フォトダイオードのような１以上の光検出器１３２を含む。光検出器は、例えば、集積回路（ＩＣ）において実施される場合がある。便宜上、ここでは、光検出器１３２がフォトダイオードであるものとして記載しているが、当然ながら、他のタイプの光検出器が実施される場合もある。一実施形態において、フォトダイオード１３２は、特定パターン又は特定波長の反射光を検出するように独自に構成される場合がある。また、フォトダイオード１３２は、必要に応じて、コードホイール１０４のアール及び設計、又はコードストリップに対応するパターンを成して配置される場合がある。本明細書において、そのような種々のパターンのフォトダイオード１３２は、フォトダイオードアレイと呼ばれる。

フォトダイオード１３２により生成された信号は、信号処理回路１３４によって処理され、信号処理回路１３４は、チャネル信号ＣＨ_Ａ、ＣＨ_Ｂ、及びＣＨ_Ｉを生成する。一実施形態において、検出器１３０は、チャネル信号及びインデックス信号を生成するために、１以上のコンパレータ（図示せず）をさらに含む。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、トランジスタ−トランジスタ・ロジック（ＴＴＬ）に適合するデジタル出力信号に変換される場合がある。一実施形態において、これらの出力チャネル信号は、変調された反射光信号についてのカウント及び方向情報を示す場合がある。さらに、検出器１３０は、反射光信号をフォトダイオード１３２に導くためのレンズ１３６を含む場合がある。

エミッタ、検出器、及び光学エンコーダのさらに詳しい説明については、米国特許第４，４５１，７３１号、第４，６９１，１０１号、第５，２４１，１７２号、及び第７，４００，２６９号を概ね参考にすることができ、それらの全てが、参照により、完全に本明細書に援用される。

さらに、本開示の種々の実施形態は、特に反射型光学エンコーダに関するものであるが、当然ながら、本開示の範囲を外れることなく、透過型光学エンコーディングシステムにおいて類似のフォトダイオードアレイ及び／又はコードホイール構成を使用してもよい。

図２は、コードホイール１０４の一実施形態を示す部分概略図である。具体的には、図２は、ディスクの形をした円形のコードホイール１０４の一部を示している。一部の実施形態において、コードホイール１０４は、ディスクではなくリングの形を有し、又はコードストリップの形（例えば、リニアエンコーダの場合）を有する場合がある。図示のコードホイール１０４はトラック１４０を含み、トラック１４０は、コードホイール１０４と同心の循環トラックである場合がある。トラック１４０は、単一のインデックス・バー１４６により遮られた、コードホイール１０４を一周するバー１４２及びウィンドウ１４４の連続的反復パターンを含む。図示のパターンは、交互に存在するバー１４２及びウィンドウ１４４を含み、インデックス・バー１４６は、仮にバー１４２及びウィンドウ１４４の真の交互パターンを使用した場合に、少なくとも１つのバー１４２及びウィンドウ１４４が通常配置されることになる位置に配置される。一部の実施形態において、インデックス・バー１４６は、少なくとも、２つのバー１４２及び１つのウィンドウ１４４によって通常占められる大きさの空間を占める。一部の実施形態において、インデックス・バー１４６は、コードディスクの一周につき少なくとも一回現れる。インデックス・バー１４６がコードディスク（又はストリップ）上に２回以上現れる場合、エンコーダは、疑似絶対値エンコーダとして動作する。

非反射性セクション１４２及び反射性セクション１４４は、位置セクションと呼ばれることもある。一実施形態において、非反射性セクション１４２は、コードホイール１０４の透明セクションであるか、又は、代替として、コードホイール１０４に設けられた窪み（例えば、穴）である。反射性セクション１４４は、例えば、コードホイール１０４に設けられた不透明セクション（反射性）である。一実施形態において、反射性セクション１４４に対応する表面領域は、反射性材料でコーティングされる。他の実施形態では、図１に示した実施形態と同様に、コードホイール１０４の反射性セクション１４４は透明であり、コードホイール１０４の反対側に反射性コーティング１０２を有する場合がある。この実施形態では、非反射性セクション１４２は、ＬＥＤ１２２からの光を吸収するように、不透明である場合がある。

一部の実施形態では、反射性コーディング要素の代わりに、透過性コーディング要素が実施される。コードホイール又はコードストリップのような透過性コーディング要素は、反射性セクション１４４及び非反射性セクション１４２の代わりに、透過性セクション及び非反射性セクションからなるトラック１４０を含む。一実施形態において、透過性コーディング要素は、反射性材料１０２を含まない点を除き、反射性コーディング要素と実質的に類似する。このように、透過性セクション１４４は、コードホイール１０４を通して光を伝送し、不透明セクション１４２は、コードホイール１０４を通して光を伝送しない。

また、一部の実施形態において、円形コードホイール１０４は、円形ではないコーディング要素に置換される場合がある。例えば、コードストリップのようなリニアコーディング要素が使用される場合がある。さらに、反射性又は透過性のコーディング要素１０４の代わりに、結像コーディング要素が使用される場合もある。

上記のように、コードホイール１０４、ひいてはトラック１４０の回転は、コードホイール１０４の位置変化を測定するために、検出器１３０における反射光信号の変調を生じさせる。従来のコードホイールは、独立したインデックストラックを含んでいたが、本開示の種々の実施形態は、インデックス・バー１４６を光学トラック１４０に組み込むことにより、単一のトラック１４０のみを使用するスリーチャネル・エンコーダを実現する。これにより、エンコーダ１０６のサイズ及び複雑さは、大幅に低減される。

図２に示したコードホイール１０４は、同じ円周方向寸法（幅寸法とも呼ばれ、例えば、距離「Ｘ」で示される）を有する位置トラックセクション１４２及び１４４を含む。換言すれば、中間的な非反射性トラックセクション１４２は、反射性トラックセクション１４４と同じ幅寸法を有する。コードホイール１０４の分解能は、位置トラックセクション１４２及び１４４の幅寸法の関数である。一実施形態において、非反射性トラックセクション１４２の幅寸法は、連続する反射光パルス間に検出可能な隙間を生成するために必要な領域の大きさの関数である。

一部の実施形態において、インデックス・バー１４６は、位置トラック１４２及び１４４よりも大きな幅寸法（例えば、距離「Ｘ」で示される）を有する。一部の実施形態において、インデックス・バー１４６は、位置トラックセクション１４２及び１４４の幅の整数倍の幅を有する。例えば、インデックス・バー１４６は、０．５ピッチ（Ｐ）の倍数（例えば、１．５Ｐ、２．５Ｐ、３．５Ｐ、４．５Ｐなど）である幅「Ｘ」を有する場合がある。ただし、Ｐは、バー１４２又はウィンドウ１４４の幅（例えば、「Ｘ」）に対応する。換言すれば、インデックス・バー１４６の幅「Ｘ」は、「Ｘ」の少なくとも１．５倍の大きさでなければならず、それは、「Ｘ」に任意の整数に１．５を加えた値を乗じた大きさである場合がある。他の実施形態は、インデックス・バー１４６について異なる幅を実施する場合がある。さらに、図示のコードホイール１０４は、単一のインデックス・バー１４６を含むが、本開示の種々の実施形態がそのように制限されることはない。さらに、インデックス・バー１４６は、非反射性セクションとして実施されるように示されているが、当然ながら、「インデックス・バー１４６」は、実際には、本明細書に記載されるインデックス・バー１４６に類似した寸法を有するウィンドウとして実施されてもよい。

光学トラック１４０の高さ「Ｙ」は、コードホイール１０４の全体にわたって均一であってもよいし、不均一であってもよい。したがって、光学トラック１４０におけるバー１４２、ウィンドウ１４４、及びインデックス・バー１４６の各々の高さ「Ｙ」は、実質的に同じである場合があり、また、それらは、バー１４２、ウィンドウ１４４、及びインデックス・バー１４６が全て同じフォトダイオード１３２の上を通過するように、実質的に同じ光学トラック１４０上に整列される場合がある。

図３は、オーガスティニアク他による米国特許出願公開第２０１２／０２０５５２８号に開示されているような、エンコーダ１０６のセンサ領域におけるフォトダイオード１３２の第１の構成を示している。具体的には、図３は、単一の光学トラック１４０を使用するスリーチャネル・エンコーダの比較的単純な実施形態を示している。コードホイール１０４がアレイ３２０の方向（又は、それと反対の方向）に回転する際に、バー１４２、ウィンドウ１４４、及びインデックス・バー１４６が全てセンサ領域にあるフォトダイオード１３２の上を通過するように、センサ領域（例えば、フォトダイオードのアレイ３２０、及びインデックス・フォトダイオード３１２、３１６）は、光学トラック１４０に対して整列される場合がある。

センサ領域は、インクリメンタル・フォトダイオードのアレイ３２０、第１のインデックス・フォトダイオード３１２、及び第２のインデックス・フォトダイオード３１６を含む場合がある。第１のインデックス・フォトダイオード３１２及び第２のインデックス・フォトダイオード３１６は、センサ領域のうちの特定領域をカバーするものとして示されているが、当業者には明らかなように、インデックス・フォトダイオード３１２、３１６はそれぞれ、フォトダイオードのアレイとして実施されてもよい。説明を容易にするために、インデックス・フォトダイオード３１２、３１６は、単一のフォトダイオードとして示されているが、本開示の実施形態が、そのように制限されることはない。インクリメンタル・フォトダイオードのアレイ３２０、及びフォトダイオードのアレイ３２０内の個々のフォトダイオード３２４は、出力信号ＣＨ_Ａ及びＣＨ_Ｂ（又は、正弦波出力信号及び余弦波出力信号）の生成に使用され、インデックス・フォトダイオード３１２、３１６は、出力信号ＣＨ_Ｉの生成に使用される。

図３は、コードホイール・トラック１４０に対するセンサ領域の概略レイアウトも示している。コードホイール・トラック１４０の種々のセクションに関連する個々のフォトダイオードアレイ要素のとり得る寸法を示すために、コードホイール・トラック１４０の描写は、センサ領域の上に重ねられている。

図示のインクリメンタル・フォトダイオードのアレイ３２０は、Ａ信号を生成するためのＡ信号フォトダイオード、Ｂ信号を生成するためのＢ信号フォトダイオード、ＡＢ信号を生成するためのＡＢ信号フォトダイオード、及びＢＢ信号を生成するためのＢＢ信号フォトダイオードを含む、複数の個別のフォトダイオード３２４を含む。分かりやすくするために、「ＡＢ」は「Ａバー」と称され、「ＢＢ」は「Ｂバー」と称される。位置フォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ及びＢＢ、並びにこれらの位置フォトダイオードにより生成される対応する電気信号の意味は、当該技術分野において周知である。位置フォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ及びＢＢの円周方向寸法（幅寸法とも呼ばれる）は、対応するコードホイール・トラック１４０の位置トラックセクション１４２、１４４、及び１４６の幅寸法に関連する。図３の実施形態では、インクリメンタル・フォトダイオードのアレイ３２０における各フォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ及びＢＢは、対応する位置トラック１４０におけるバー又はウィンドウ１４２及び１４４の幅の二分の一の幅を有している（例えば、各フォトダイオード３２４の幅は、「Ｘ／２」に等しい）。

さらに、図３の実施形態においては、インデックス・バー１４６の幅は、バー又はウィンドウ１４２及び１４４の幅の３倍である。換言すれば、インデックス・バー１４６の幅は、「Ｘ」の３倍に等しい。これはまた、インデックス・バー１４６の幅が、インクリメンタル・フォトダイオードのアレイ３２０における単一のフォトダイオード３２４の幅の約６倍であることを意味する。ただし、４つのインクリメンタル・フォトダイオード３２４のアレイの全幅は、インデックス・バー１４６の幅と実質的に等しい。

種々のフォトダイオードからの信号は、電流領域又は電圧領域で表現することができ、また、相互に変換することもできる。さらに、拡大縮小、加算、又は減算のような信号の線形結合を実施することもできる。本開示が、それらの信号の何らかの特定の物理的表現に制限されることはなく、したがって、それらの信号を線形的な方法で結合し、比較を実施する方法が存在するとすれば、信号は、実施形態とは無関係に、抽象的な方法で扱われる。

図３の実施形態によれば、単一の光学トラック１４０を備えたスリーチャネル・エンコーダを得るという目的は達成されるが、特定の幾つかの障害があることが分かっている。具体的には、完璧な電気的及び光学的特性を有する、完璧に整列された位置、すなわち、適正位置にあるとき、コードホイール・パターンから投影される像５０４は、図５Ａに示されるように、フォトダイオードと同じ幅を有することが分かっている。換言すれば、コードホイール又はコードストリップ（まとめて、又は代替的にコード要素とも呼ばれる）がセンサ領域に対して整列されている限り、像５０４の中心は、フォトダイオード５０８の中心と同じである。この例では、図４Ａに示されるように、インデックス信号（Ｉ）中心は、適正位置において高中心となっている。

エンコーダ組み立てプロセス、及び製造プロセスの欠点は、図５Ｂに示されるように、フォトダイオード（ＩＣ又は検出器１３０）のコードホイール・パターンに対する所望の位置からの位置ずれを引き起こすことがあることである。この状態は、不整合と呼ばれる。コードホイール又はコードストリップの不整合は、図５Ｃに示されるように、適正位置から半径方向及び接線方向において見て取ることができる。不整合が発生すると、チャネル信号（例えばＡ信号）をタグ参照するインデックス信号（例えばＩ信号）は、図４Ｂに示されるように、オフセット量４０４だけオフセットされる。コードホイール又はコードストリップの間の不整合がフォトダイオード５０８に対して増加するにしたがって、Ｉ信号とＡ信号の間のオフセット４０４は、図６Ｂに示されるように増加する。

一部の事例では、未加工のＩ信号は、図６Ａに示されるように、異なる条件（例えばＡ信号高）においてゲート制御される。オフセット４０４が大きすぎると、未加工のＩ信号は、Ａチャネルの複数の領域を満たすことになる。このことは、事実上、未加工のＩ信号が、取るべき状態になるまでに、複数回ゲート制御される状況を発生させる。Ｉ信号のこの複数回のゲート制御は、図６Ｂにおいて見られ、一部のエンコーダ応用形態において機能的不具合を生じさせることが知られている。

これらの上記欠点を克服するために、本開示の種々の実施形態は、改良されたコードホイール又はコードストリップ（例えば、コード要素）を提案する。そのような改良されたコード要素の一例は、図７に示されている。具体的には、図７は、追加的ウィンドウと呼ばれることもあるインデックス・ウィンドウ７０４を有するコード要素を示している。

インデックス・ウィンドウ７０４は、光学トラック１４０から少なくとも１つの非インデックス・バー１４２を取り除くことにより作成される場合がある。一部の実施形態において、インデックス・ウィンドウ７０４は、非インデックス・ウィンドウ１４４の幅、又は非インデックス・バー１４２の幅の３倍に実質的に等しいインデックス・ウィンドウ幅Ｄ２を備える（例えば、Ｄ２は、Ｄ１×３、すなわちＤ１の３倍以上である場合がある）。一部の実施形態において、インデックス・ウィンドウ幅Ｄ２は、インデックス・バー１４６の幅に実質的に等しい場合がある（例えば、Ｄ２は、「Ｘ」に等しい場合がある）。

少なくとも一部の実施形態において、インデックス・ウィンドウ７０４は、インデックス・バー１４６に対して所定距離だけオフセットされる。一例として、インデックス・ウィンドウ７０４の中心と、インデックス・バー１４６との間の距離Ｄ３は、第１のインデックス・フォトダイオード３１２の中心と、第２のインデックス・フォトダイオード３１６の中心との間の距離に実質的に等しい場合がある。そのような寸法、及びインデックス・バー１４６からの間隔を有するインデックス・ウィンドウ７０４を設けることにより、本開示の種々の実施形態は、上で述べた不整合問題を克服することができる。具体的には、インデックス・ウィンドウ７０４は、追加的なインデックス信号（追加的ウィンドウから離れたところで生成される元のインデックス信号「Ｉ」に対し、「Ｉ／」）の生成に使用することができる。Ｉ及びＩ／の両方の処理（例えば、下記の式［Ｉ−（Ｉ／）］による）は、不整合状態にあるコードホイール又はコードストリップに対してあまり敏感ではない差分インデックス信号の生成をもたらす。より具体的には、第１のインデックス・フォトダイオード３１２からの出力から、第２のインデックス・フォトダイオード３１６からの出力を減算することにより、単一のインデックス出力を生成することができる。

上記の例において約−０．３５ｍｍの半径方向の不整合の場合、インデックス・ウィンドウ７０４を有しない実施形態では、インデックス位置が９０ｅだけシフトされるのに対し、インデックス・ウィンドウ７０４を含む実施形態では、インデックス位置が、僅かに２ｅだけシフトされるにすぎない。

約０．３５ｍｍの接線方向における空間比較の場合、インデックス・ウィンドウ７０４を有しない実施形態では、インデックス位置が３４ｅだけシフトされるのに対し、インデックス・ウィンドウ７０４を含む実施形態では、インデックス位置が僅か５ｅだけシフトされるにすぎない。

見て分かるように、３つのチャネルを全て単一の光学トラック上に有するスリーチャネル・光学エンコーダは、不整合及び空間的運動に対していくぶん敏感である。この敏感さは、複数回ゲート制御されるインデックス条件をトリガリングすることが可能な応用形態において、機能的問題を引き起こすことがある。

本開示の種々の実施形態によれば、コード要素がインデックス・ウィンドウ７０４を備えている場合、インデックス用のデジタル信号（インデックス用のアナログ信号とインデックス／用のアナログ信号との差により生成される信号）は、半径方向（例えば、−０．３５ｍｍ）と接線方向（例えば、＋０．３５ｍｍ）の両方の不整合位置において、Ａ信号の中心にほぼセンタリングされる（例えば、オフセット４０４は実質的に無視できるほど小さい）。換言すれば、差分インデックス設計を有することで、本開示の種々の実施形態は、コード要素の半径方向及び接線方向の不整合にあまり敏感ではない、Ａ／Ｂ信号に対するＩ信号中心位置を提供することができる。

次に、図８を参照し、本明細書に開示されるようなエンコーダを動作させる方法を、本開示の種々の実施形態にしたがって説明する。この方法は、コーディング要素（例えば、コードホイール又はコードストリップ）が装置又はシステムの可動部品に結合されたときに開始される（ステップ８０４）。その後、光源１２２により光が生成され、生成された光は、コーディング要素の光学トラック１４０へと導かれる（ステップ８０８）。

コーディング要素が反射性であるか、それとも透過性であるかに従って、コーディング要素に入射した光は、コーディング要素の反射性セクションにより反射され、又は、コーディング要素のウィンドウセクションを通過することができる。コーディング要素から反射され、又はコーディング要素を通過した光は、その後、検出器１３０において検出される（ステップ８１２）。具体的には、光は、フォトダイオードに対するコーディング要素の位置に応じて、インクリメンタル・フォトダイオード３２４、第１のインデックス・フォトダイオード３１２、及び第２のインデックス・フォトダイオード３１６のうちの１以上において検出される場合がある。

検出された光信号に基づいて、信号処理回路１３４、デコーダ１０８、及び／又はマイクロプロセッサ１１０は、インデックス信号、Ａチャネル信号、及びＢチャネル信号を決定し（ステップ８１６）、これら３つの信号は、エンコーダにより出力される（ステップ８２０）。上で述べたように、インデックス信号は、第１のインデックス・フォトダイオード３１２及び第２のインデックス・フォトダイオード３１６からの出力の差を使用して生成される場合がある。

本明細書には、光学トラック１４０及びセンサ領域に対する多数の可能な修正が記載されているが、当然ながら、可能な修正の組み合わせもまた、本開示の範囲を外れることなく、実施することが可能である。したがって、本明細書に記載される光学トラック１４０及び／又はセンサ領域の特徴のうち１以上が組み込まれた光学エンコーディングシステム１００はいずれも、本開示の範囲内である。例えば、ノイズ及び他の望ましくない状況を低減するために、種々のインクリメンタル・フォトダイオード３２４の高さは、調節してもよい。

さらに、センサ領域、及びその中のフォトダイオードの寸法は、光学エンコーディングシステム１００が使用される応用形態に応じて変更してもよい。１つの非制限的な例として、センサ領域の高さは、約３００から４００マイクロメートルまで程度である場合がある。センサ領域の長さは、約１２００マイクロメートル程度である場合がある。Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢフォトダイオードの各々の幅は、約４０マイクロメートル程度である場合がある。インデックス・フォトダイオード３１２、３１６の幅は、約１６０マイクロメートル程度である場合がある。ただし、当然ながら、本明細書に記載される種々の構成要素のサイズは、任意数の応用形態を包含するように、変更されてもよい。

実施形態を完全に理解してもらうために、上では、具体的な詳細を記載した。しかしながら、当業者には理解されるように、実施形態は、それらの具体的な詳細なしに実施される場合がある。例えば、実施形態が不必要に詳細なものとならないように、回路はブロック図で示される場合がある。他の例では、実施形態が不明瞭になることを避けるために、周知の回路、プロセス、アルゴリズム、構造、及び技術については、不必要な詳細なしに示される場合がある。

本明細書では、本開示の種々の例示的実施形態を詳細に説明しているが、本発明の概念は、様々な形で実施され、及び使用されることができるものと理解すべきであり、また、添付の特許請求の範囲は、従来技術により制限されるような場合を除き、そのようなバリエーションも含むことを意図していると理解すべきである。

１００ 反射型光学エンコーディングシステム
１０４ コードホイール
１０６ エンコーダ
１０８ デコーダ
１１０ マイクロプロセッサ
１２０ エミッタ
１３０ 検出器
１３４ 信号処理回路
１４０ 光学トラック
１４４ ウィンドウ
１４６ バー
３１２、３１６ インデックス・フォトダイオード
３２０ インクリメンタル・フォトダイオードのアレイ

Claims (20)

1. 光学エンコーダシステムにおいて使用するためのエンコーダであって、
   光を放射するように構成されたエミッタと、
   前記エミッタにより放射された光の少なくとも一部を受け取り、受け取った光を３つの出力信号を生成するために使用される１以上の電気信号に変換するように構成された検出器と
   を含み、前記光は、コーディング要素の単一の光学トラックを通過したとき、及び前記コーディング要素の前記単一の光学トラックにより反射されたときのうちの少なくとも一方のときに、前記３つの出力信号を生成するために使用され、前記３つの出力信号のうちの１つが、差分インデックス信号を含む、エンコーダ。
2. 前記検出器は、インクリメンタル・フォトダイオードのアレイ、第１のインデックス出力を生成する第１のインデックス・フォトダイオード、及び第２のインデックス出力を生成する第２のインデックス・フォトダイオードを含み、前記第１のインデックス出力から前記第２のインデックス出力を減算することによって、前記差分インデックス信号が生成される、請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記インクリメンタル・フォトダイオードのアレイは、前記第１のインデックス・フォトダイオードと前記第２のインデックス・フォトダイオードとの間に配置される、請求項２に記載のエンコーダ。
4. 前記第１のインデックス・フォトダイオードは、前記インデックス・フォトダイオードのアレイにおけるインクリメンタル・フォトダイオードの幅の少なくとも４倍の幅を備える、請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記第２のインデックス・フォトダイオードは、前記第１のインデックス・フォトダイオードの幅に実質的に等しい幅を備える、請求項４に記載のエンコーダ。
6. 前記単一の光学トラックは、インデックス・バーと、インデックス・ウィンドウと、前記インデックス・ウィンドウを前記インデックス・バーから分離する少なくとも１つの非インデックス・バーとを含む、請求項２に記載のエンコーダ。
7. 前記インデックス・ウィンドウの中心と、前記インデックス・バーの中心との間の距離が、前記第１のインデックス・フォトダイオードの中心と、前記第２のインデックス・フォトダイオードの中心との間の距離に実質的に等しい、請求項６に記載のエンコーダ。
8. 前記単一の光学トラックは、半径方向の向き及び直線的な向きのうちの少なくとも一方の向きにある、請求項１に記載のエンコーダ。
9. 装置の物理的動きを電気信号に変換するシステムであって、エンコーダを含み、
   前記エンコーダが、
   インクリメンタル・フォトダイオードのアレイ、第１のインデックス・フォトダイオード、及び第２のインデックス・フォトダイオードを含むセンサ領域と、
   インデックス・バー、インデックス・ウィンドウ、及び少なくとも１つの非インデックス・バーを含む単一の光学トラックを有するコーディング要素であって、前記コーディング要素が、前記装置に機械的に結合され、前記単一の光学トラックが、前記センサ領域に近接して配置される、コーディング要素と、
   前記センサ領域に結合され、少なくとも３つの出力信号を出力するように構成された信号処理回路であって、前記少なくとも３つの出力信号のうちの少なくとも１つが、前記第１のインデックス・フォトダイオード及び前記第２のインデックス・フォトダイオードから受信した入力信号に基づいて生成されるインデックス信号に対応する、信号処理回路と
   を含むシステム。
10. 前記インデックス信号は、前記第１のインデックス・フォトダイオードから受信した入力から、前記第２のインデックス・フォトダイオードから受信した入力を減算することにより生成される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記インデックス信号は、前記インデックス・ウィンドウが前記第２のインデックス・フォトダイオードの上に重なり、及び、前記インデックス・バーが前記第１のインデックス・フォトダイオードの上に重なったときに生成される、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記インデックス・ウィンドウの中心と、前記インデックス・バーの中心との間の距離が、前記第１のインデックス・フォトダイオードの中心と、前記第２のインデックス・フォトダイオードの中心との間の距離に実質的に等しい、請求項９に記載のシステム。
13. 前記インクリメンタル・フォトダイオードのアレイは、Ａ信号フォトダイオード、Ｂ信号フォトダイオード、ＡＢ信号フォトダイオード、及びＢＢ信号フォトダイオードを含む、請求項９に記載のシステム。
14. 前記インクリメンタル・フォトダイオードのアレイは、Ａチャネル出力信号及びＢチャネル出力信号の生成に使用される、請求項１３に記載のシステム。
15. 光学エンコーディングシステムにおいて使用するように構成されたコーディング要素であって、
    インデックス・バー、インデックス・ウィンドウ、及び少なくとも１つの非インデックス・バーを有する光学トラックを含み、前記インデックス・バー及びインデックス・ウィンドウは、Ａチャネル出力信号及びＢチャネル出力信号に加え、インデックス信号を生成するような形で、互いに間隔を空けて配置される、コーディング要素。
16. 前記インデックス・バー及び前記少なくとも１つの非インデックス・バーは、前記コーディング要素の非反射性セクションを含む、請求項１５に記載のコーディング要素。
17. 前記インデックス・ウィンドウは、反射性材料及び光学的に透過性の材料のうちの少なくとも一方を含む、請求項１５に記載のコーディング要素。
18. 前記光学トラックは、実質的に直線状である、請求項１５に記載のコーディング要素。
19. 前記光学トラックは、放射状に配置される、請求項１５に記載のコーディング要素。
20. 前記インデックス・ウィンドウは、前記少なくとも１つの非インデックス・バーの少なくとも１．５倍の幅を有する、請求項１５に記載のコーディング要素。

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