JP5063979B2 - 種々のエミッター−検出器構成を有する反射型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、一般的に光学エンコーダに関連し、より詳しくは、種々の配向を有する光学エンコーダに関連する。

光学エンコーダは、動きを検出して、典型的には、モータ制御システムに閉ループフィードバックを提供する。コードスケール（code scale）とともに動作するときには、光学エンコーダは動き（コードスケールの直線運動または回転運動）を検出して、検出した動きをディジタル信号に変換する。このディジタル信号は、コードスケールの動き、位置、または速度をエンコードする信号である。ここで、「コードスケール」という用語には、コードホイール及びコードストリップが含まれる。

通常、コードスケールの動きは、光学エミッターと光学検出器によって光学的に検出される。光学エミッターは、コードスケールに入射して、コードスケールから反射する光を放出する。反射した光は、光学検出器によって検出される。典型的なコードスケールは、既知のパターンで光を反射するスロットとバーの規則的なパターンを含む。

図１のＡ〜Ｃに、既知の光学エンコーダ１００とコードスケール１２０を示す。図１のＡは、光学エンコーダ１００とコードスケール１２０の破断側面図である。図１のＢは、光学エンコーダ１００側から見たコードスケール１２０を示す。図１のＣは、光学エンコーダ１００（の裏面）側から見た光学エンコーダ１００を示す。図１のＡ〜Ｃには、より明瞭にするために配向軸も表示されている。

図１のＡ〜Ｃを参照すると、エンコーダ１００は、リードフレーム１０６などの基板１０６に搭載された光学エミッター１０２と光学検出器１０４を備える（以下、光学エミッターを光エミッターという）。光エミッター１０２と光学検出器１０４、並びにリードフレーム１０６の一部は、たとえば、透明なエポキシを含む封入材１０８内に封入される。封入材１０８は、光エミッター１０２を覆う第１のドーム状の表面１１０（第１のレンズ１１０）と、光学検出器１０４を覆う第２のドーム状表面１１２（第２のレンズ１１２）を画定する。

光エミッター１０２は、第１のレンズ１１０を通って封入材１０２を出る光を放出する。第１のレンズ１１０は、コードスケール１２０に光を集束させ、あるいは、それとは別のやり方でコードスケール１２０に光を導く。この光は、コードスケール１２０から反射し、反射した光は、第２のレンズ１１２を通って光学検出器１０４に到達する。第２のレンズ１１２は、その反射した光を光学検出器１０４に集束させ、あるいは、それとは別のやり方で、光学検出器１０４に導く。光学検出器１０４は、たとえば、光を電気信号に変換するフォトデタクタとすることができるが、これには限定されない。

図示した例では、光エミッター１０２は、スリットがＹ軸に沿っている、スリット型の光放射器である。図示のように、光学検出器１０４はＹ軸に沿って配置される。さらに、コードスケール１２０のスロットとバーはＹ軸に沿っている。したがって、Ｘ軸方向のコードスケール１２０の動きを検出するように、光学エンコーダ１００とコードスケール１２０は互いに対して配向され配置されている。

特開２００６−３８５７２号公報

図示した従来の構成はいくつかの欠点を有する。たとえば、光学エンコーダ１００は位置合わせ不良の影響を受けやすい。スリット型エミッター１０２の位置合わせ不良がわずかであっても、コントラストが劣化することになり、したがって、光学エンコーダ１００の性能が劣化することになる。さらに、光学エンコーダ１００は、一方向（たとえば、図示の例では、Ｘ軸方向に沿った方向）のみの動きを検出するので、エンコーダパッケージの向きに関する柔軟性が制限される。さらに、既存の光学エンコーダが、エミッターの一方の側に有するデータチャンネルの数は少ない（典型的には多くても２つ）。

したがって、これらの欠点を軽減もしくは克服する改良された光学エンコーダが必要とされている。

本発明はそのような改良された光学エンコーダを提供する。本発明の第１の実施形態では、光学エンコーダはエミッターと検出器を備える。エミッターは円形パターンの光を放出するように構成され、エミッターは、コードスケールに光を当てるよう動作する（これによって、コードスケールで光が反射する）。検出器は、コードスケールから反射された光を検出するよう構成される。

本発明の第２の実施形態では、光学エンコーダが、エミッター、検出器、及び封入材（または封入カプセル。以下同じ）を備える。エミッターは光を放出するよう構成され、放出された光はコードスケールに向かい、そこで反射する。検出器は、コードスケールから反射された光を検出するよう構成される。エミッターと検出器を封入する封入材は、エミッターと検出器を覆う１つのドームを形成する。

本発明の第３の実施形態では、光学エンコーダは、エミッター、検出器、及び、エミッターと検出器の間のバッフルを備える。エミッターは光を放出するように構成され、放出された光はコードスケールに向かい、そこで反射する。検出器は、コードスケールから反射された光を検出するよう構成される。エミッターと検出器の間のバッフルは、エミッターからの迷光（stray light。たとえば、不要な光）が検出器に到達しないように機能する。

本発明の第４の実施形態では、光学エンコーダは、エミッター、検出器、及びインデックス検出器（index detector）を備える。エミッターは光を放出するように構成され、放出された光はコードスケールに向かう。検出器は、コードスケールから反射された光を検出するように構成される。検出器は２つのデータチャンネルを提供する。インデックス検出器はインデックスチャンネルを提供する。

本発明の他の局面及び利点については、以下の詳細な説明、並びに、本発明の原理を例示する添付の図面から明らかになろう。

以下、本発明の種々の実施形態を示す図面を参照して本発明を説明する。図面では、説明の便宜上、構造や部分のサイズが誇張されている場合があり、また、それらのサイズが他の構造や部分のサイズと同じスケールで示されていない場合がある。したがって、それらのサイズは、本発明の大まかな構造を説明するために提示するものである。さらに、本発明の種々の局面は、他の構造、部分、またはそれらの両方に対して「上に」または「上方に」配置されたある構造や部分を参照して説明される。たとえば、「上に」や「上方に」といった相対的関係を表す用語や表現は、本明細書では、図示された他の構造や部分に対する、ある構造または部分の関係を表すために使用されている。そのような相対的関係を示す用語には、図示された配向だけでなく、装置（またはデバイス）の異なる配向が包含されることが意図されている。

たとえば、図中の装置が、裏返され、または、回転させられ、または、それらの両方がなされると、他の構造または部分の「上に」または「上方に」あるものとして記述された構造または部分は、今度は、当該他の構造または部分の「下に」、または、「下方に」、または、「左側に」、または、「右側に」、または、「前に」、または、「後に」配向されるであろう。他の構造または部分の「上に」または「上方に」形成されたある構造または部分を参照する場合は、追加の構造または部分が介在する場合があることが意図されている。介在する構造や部分がない状態で、他の構造または部分の上または上方に形成されたある構造または部分を参照する場合には、本明細書では、当該他の構造または部分の「面上に」または「すぐ上に」形成されているものとして記述される。本明細書及び図面中で同じ参照番号は同じ要素を示す。

［対称形エミッター］
図１のＡを再度参照すると、光エミッター１０２は、細長い楕円形またはスリットの形状の光を放出するスリット型エミッターである。この構成では、光学エンコーダ１００の性能は、コードスケール１２０に対するエミッターのわずかな位置合わせ誤差にもかなりの影響を受ける。この位置合わせ誤差による影響を低減するために、対称的な放射パターンを有するエミッターを図２のＡ及びＢに示すように使用することができる。図２のＢは光学エンコーダ２００の上面図である。図２のＡは、図２のＢの線２Ａ−２Ａに沿って切り取った、光学エンコーダ２００の破断側面図である。図２のＡ及びＢは、本発明の１実施形態に従う光学エンコーダパッケージ２００を示す。

図２のＡ及びＣを参照すると、光学エンコーダ２００は、上部から見たときに対称形のパターン（たとえば円形パターン）をなす光を提供するように構成された対称形エミッター（たとえば、LED（発光ダイオード））２０２を備える。対称形エミッター２０２は、均一で対称形の光を放出し、コードスケール２３０のようなコードスケールからその光が反射するようにする。その放出光の均一性及び対称性より、図１のＡ及びＣに示す従来技術のエンコーダ１００が位置合わせ不良から受ける影響に比べて、光学エンコーダ２００が、光学エンコーダ２００とコードスケール２３０との間の位置合わせ不良から受ける影響は少なくなる。

光学エンコーダ２００は、対称形エミッター２０２からの光をコードスケール２３０に提供するよう動作する。コードスケール２３０は、第１の配向（図示の例示的な実施形態ではｙ軸方向の配向）をなすスロット及びバーを含む。したがって、コードスケール２３０は、対称形エミッター２０２からの光を反射する。この反射光は、検出器２１４によって検出されて、電気信号に変換されるが、この電気信号は、コードスケール２３０の位置または動きを表す情報に変換される。

対称形エミッター２０２と検出器２１４は基板２０４（たとえば、リードフレーム２０４）上に製作される。対称形エミッター２０２と検出器２１４、並びに、基板２０４（たとえば、リードフレーム２０４）の一部は、たとえば、透明なエポキシを含む封入材２１８に封入される。ここで、封入材２１８は、対称形エミッター２０２を覆う（またはその上にある）第１のドーム状の表面２２０（第１のレンズ２２０）と光学検出器２１４を覆う（またはその上にある）第２のドーム状の表面２２２（第２のレンズ２２２）を含む双ドーム状表面（２ドーム構造の表面ということもできる）を画定する。

対称形エミッター２０２は、第１のレンズ２２０を通って封入材２１８を出る光を放出する。第１のレンズ２２０は、コードスケール２３０に向けてその光を集束させ、及び／または、平行化し、あるいは別のやり方でコードスケール２３０にその光を導く。そして、その光はコードスケール２３０から反射する。その反射光は、第２のレンズ２２２を通って光学検出器２１４に到達する。第２のレンズ２２２は、光学検出器２１４に向けてその反射光を集束させ、及び／または、平行化し、あるいは別のやり方で光学検出器２１４にその反射光を導く。図示の例では、コードスケール２３０のスロット及びバーはＹ軸に沿って延在している。したがって、光学エンコーダ２００とコードスケール２３０は、Ｘ軸方向におけるコードスケール２３０の動きを検出する向きに配向している。

光学エンコーダ２００の他の局面は、光エミッター２０２と光学検出器２１４の間にあるバッフル２０８、すなわち、光学バリア２０８である。バッフル２０８は、迷光が光学検出器２１４に到達しないようにする。バッフル２０８を、望ましくない光放射の部分を吸収する黒い吸収性材料でコーティングする（すなわち、吸収性材料を塗布する）ことができ、それによって、望ましくない光放射によって引き起こされるノイズを低減することができる。たとえば、バッフル２０８は、ダミーの黒い電子部品、陽極処理（または陽極酸化処理）された金属、黒いプラスチックの個別の断片、黒い吸収性のエポキシ、黒いポリマー、カーボン充填ポリマー、黒い樹脂、黒いインクマーク(black ink mark)、エポキシの塗膜、レーザで焼いた表面(laser burned surface)、及び、光放射を吸収できる他の類似のタイプの材料（但し、これらのものに限定されない）を含むことができ、または、バッフル２０８をそれらでコーティングすることできる。バッフル２０８を、たとえば、矩形状または台形状（但し、これらの形状に限定されない）などの任意の適切な形状を有するように製作することができる。

［単一のドーム］
本発明の別の局面は図３のＡ及びＢに示されている。図３のＢは光学エンコーダ３００の上面図である。図３のＡは、図３のＢの線３Ａ−３Ａに沿って切り取った光学エンコーダ３００の破断側面図である。光学エンコーダ３００のそれぞれの部分は、図２のＡ及びＢの光学エンコーダ２００の対応する部分に類似している。便宜上、図２のＡ及びＢの光学エンコーダ２００の対応する部分に類似する光学エンコーダ３００の部分には同じ参照番号を付している。

図３のＡ及びＢを参照すると、光学エンコーダ３００は、基板リードフレーム２０４上にエミッター２０２と検出器２１４を有している。封入材３０２は、エミッター２０２、検出器２１４、及び、リードフレーム２０４の一部を封入している。ここで、封入材３０２は、エミッター２０２と検出器２１４の両方を覆う単一のドーム３０４を形成する。いくつかの用途では、この単一ドーム構成は、占有空間を小さくするという要請、または、製造をより簡単にするという要請、または、それらの両方の要請のために、双ドーム構成よりも望ましい場合がある。

［複数チャンネルエンコーダ］
図１のＡ及びＣを再度参照すると、光学エンコーダ１００は、典型的には、１つまたは、多くとも２つのチャンネルを有する１つの光学検出器１０４を備える。追加のチャンネルが要求されるような用途では、従来技術による２つの光学エンコーダ１００が使用される。この問題を解消するためのものとして、図４のＡ及びＢに、光エミッター２０２と２つの光学検出器を備える光学エンコーダ４００を示す。図４のＢは、光学エンコーダ４００の上面図である。図４のＡは、図４のＢの線４Ａ−４Ａに沿って切り取った光学エンコーダ４００の破断側面図である。

光学エンコーダ４００のそれぞれの部分は、図２のＡ及びＢの光学エンコーダ２００の対応する部分、及び／または、図３のＡ及びＢの光学エンコーダ３００の対応する部分と類似している。便宜上、図２のＡ及びＢの光学エンコーダ２００の対応する部分、及び／または、図３のＡ及びＢの光学エンコーダ３００の対応する部分に類似する光学エンコーダ４００の部分には同じ参照番号を付している。

図４のＡ及びＢを参照すると、光学エンコーダ４００は、エミッター２０２と検出器４０１を有している。検出器４０１は、最大２つのチャンネルを備えることができる。検出器４０１は、図４のＣのコードスケール４１１に対して動作するように構成される。図示の実施形態では、検出器４０１は、Ｘ軸、すなわち、個々のフォトダイオードの長手方向に沿って配置されており、これは、（図４のＣにおいて示されている）Ｙ軸に沿う配向と直交する配向である。この配向は、本発明の代替の実施形態を例示するためのものである。

光学エンコーダ４００は、さらに、別の第３のチャンネルを含む別の検出器４０２を備える。図示の実施形態では、第２の検出器４０２は、インデックス検出器４０２であり、図４のＣに示す別のコードスケール４１２に対して動作するように構成することができる。インデックスコードスケール４１２は、インデックス検出器４０２に対して作用するように構成されており、コードスケール４１１の解像度とは異なる（スロット及びバーの）解像度を有することができる。図示の実施形態では、光学エンコーダ４００は、３つのデータチャンネル（第１の検出器４０１からの２つと、インデックス検出器４０２からのインデックスチャンネル）を有する。さらに、図示の実施形態では、光学エンコーダ４００は単一ドーム構成である。

［組合せ］
本発明の他の実施形態では、本発明の種々の技術及び局面を組み合わせることができる。たとえば、円形エミッター２０２（図２のＡ及びＢ）、バッフル２０８（図２のＡ及びＢ）、双ドーム（２２０及び２２２）構成（図２のＡ及びＢ）、単一ドーム（３０４）構成（図３のＡ及びＢ）、複数の検出器／チャンネル（４０１及び４０２）構成（図４のＡ及びＢ）を、本発明の範囲内で任意に組み合わせることができる。

図５に、そのように組み合わせた光学エンコーダ５００の実施形態の１つを示す。図５を参照すると、光学エンコーダは、双ドーム構成をなす第１のドーム５０４と第２のドーム５０６を形成する封入材５０２を備える。ここで、第１のドーム部は、光エミッター５０８と検出器５１０を封入し、第２のドーム部は、第２のインデックス検出器５１２を封入する。ここでは、光エミッター５０８は、たとえば、円形エミッターである。光エミッター５０８はスリット型エミッターとすることができ、Ｘ軸、すなわち、個々のフォトダイオードの長手方向に沿って（すなわち、Ｘ軸に平行して）配置される。図５、並びに図１〜図４及び上記説明から明らかであるが、２つのドーム５０４及び５０６に対するエミッター５０８と検出器５１０及び５１２の位置を、他の構成を実現するために配置しなおすことができる。代替的には、エミッター５０８と検出器５１０及び５１２、または、これらの任意の組合せを、単一のドームを有する封入材中に配置することができる。

［結論］
上記説明から、本発明が新規であって、従来技術に対していくつかの利点を提供するものであることが明らかであろう。本発明の特定の実施形態を説明し図示したが、本発明は、そのように説明し図示した特定の構成または部品の配置には限定されない。たとえば、異なる構成、大きさ、または、材料を使用することができるが、それらは、依然として、本発明の範囲内のものである。本発明は特許請求の範囲によって画定される。

以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．光学エンコーダであって、
円形パターンをなす光を放出すように構成されたエミッターであって、コードスケールに、反射させるための光を提供するよう動作可能なエミッターと、
前記コードスケールからの反射光を検出するように構成された検出器
を備える、光学エンコーダ。
２．前記エミッターと前記検出器の間にバッフルをさらに備える、上項１の光学エンコーダ。
３．前記光学エンコーダが、
２ドーム構造の表面であって、一方のドーム構造の表面が前記エミッターを覆い、他方のドーム構造の表面が前記検出器を覆う、２ドーム構造の表面と、
前記エミッターと前記検出器の両方を覆う単一ドーム構造の表面
とのうちの１つを形成する封入材を備える、上項１の光学エンコーダ。
４．前記検出器がインデックス検出器をさらに備える、上項１の光学エンコーダパッケージ。
５．前記検出器が２つのデータチャンネルを備える、上項１の光学エンコーダパッケージ。
６．光を放出するように構成されたエミッターであって、放出された光は反射のためにコードスケールに向けて送られることからなる、エミッターと、
前記コードスケールからの反射光を検出するように構成された検出器と、
前記エミッターと前記検出器を封入する封入材であって、前記エミッターと前記検出器の上に単一のドームを形成する封入材
を備える光学エンコーダ。
７．前記エミッターは、スリット型エミッターと円形エミッターのうちのいずれかである、上項６の光学エンコーダ。
８．前記エミッターと前記検出器の間にバッフルをさらに備える、上項６の光学エンコーダ。
９．前記検出器がインデックス検出器をさらに備える、上項６の光学エンコーダパッケージ。
１０．前記検出器が２つのデータチャンネルを備える、上項６の光学エンコーダパッケージ。
１１．光を放出するように構成されたエミッターであって、放出された光は反射のためにコードスケールに向けて送られることからなる、エミッターと、
前記コードスケールからの反射光を検出するように構成された検出器と、
前記エミッターと前記検出器の間にあって、前記エミッターからの迷光が前記検出器に到達するのを防止するバッフル
を備える、光学エンコーダ。
１２．前記エミッターは、スリット型エミッターと円形エミッターのうちのいずれかである、上項１１の光学エンコーダ。
１３．前記光学エンコーダが、
２ドーム構造の表面であって、一方のドーム構造の表面が前記エミッターを覆い、他方のドーム構造の表面が前記検出器を覆う、２ドーム構造の表面と、
前記エミッターと前記検出器の両方を覆う単一ドーム構造の表面
とのうちの１つを形成する封入材を備える、上項１１の光学エンコーダ。
１４．前記検出器がインデックス検出器をさらに備える、上項１１の光学エンコーダパッケージ。
１５．前記検出器が２つのデータチャンネルを備える、上項１１の光学エンコーダパッケージ。
１６．光を放出するように構成されたエミッターであって、放出された光はコードスケールに向けて送られることからなる、エミッターと、
前記コードスケールから反射された光を検出するように構成された検出器であって、２つのデータチャンネルを提供する検出器と、
インデックスチャンネルを提供するインデックス検出器
を備える光学エンコーダ。
１７．前記光学エンコーダが、２ドーム構造の表面と単一ドーム構造の表面のうちの１つを形成する封入材を備える、上項１６の光学エンコーダ。
１８．前記エミッターが、スリット型エミッターと円形エミッターのうちの１つである、上項１６の光学エンコーダ。
１９，前記光学エンコーダが２ドーム構造の表面を形成する封入材を備え、前記エミッターと前記検出器は第１のドーム構造の下にあり、前記インデックス検出器は第２のドーム構造の下にある、上項１６の光学エンコーダ。
２０．前記光学エンコーダが２ドーム構造の表面を形成する封入材を備え、前記エミッターと前記インデックス検出器は第１のドーム構造の下にあり、前記検出器は第２のドーム構造の下にある、上項１６の光学エンコーダ。

ＡとＣは、従来技術による光学エンコーダと例示的なコードスケールをそれぞれ異なる視点から描いた図であり、Ｂは、ＡとＣに示す光学エンコーダ側から見たＡのコードスケールを示す図である。 ＡとＢは、本発明の１実施形態に従う光学エンコーダパッケージをそれぞれ異なる視点から描いた図であり、Ｃは、Ａ及びＢの光学エンコーダパッケージ側から見た例示的なコードスケールを示す図である。 ＡとＢは、本発明の別の実施形態に従う光学エンコーダをそれぞれ異なる視点から描いた図である。 ＡとＢは、本発明のさらに別の実施形態に従う光学エンコーダをそれぞれ異なる視点から描いた図であり、Ｃは、Ａ及びＢの光学エンコーダパッケージ側から見た例示的なコードスケールを示す図である。 本発明のさらに別の実施形態に従う光学エンコーダを示す図である。

２００ 光学エンコーダ
２０２ エミッタ（放射源）
２０８ バッフル
２１４ 検出器

Claims (7)

1. 光学エンコーダであって、
   均一かつ対称形の光を放出するように構成されたエミッターであって、コードスケール及びインデックスコードスケールに、反射させるための光を提供するよう動作可能なエミッターと、
   前記コードスケールからの反射光を検出するように構成された第１の検出器と、
   前記インデックスコードスケールからの反射光を検出するように構成されたインデックス検出器と、
   前記エミッター、前記第１の検出器、及び前記インデックス検出器を覆う２ドーム構造の表面を形成する封入材であって、一方のドーム構造の表面が前記エミッター及び前記第１の検出器を覆い、他方のドーム構造の表面が前記インデック検出器を覆うことからなる、封入材
   を備え、
   前記エミッターは、前記第１の検出器と前記インデックス検出器の間に配置される、光学エンコーダ。
2. 前記エミッターと前記インデックス検出器の間にあって、前記エミッターからの迷光が前記第インデックス検出器に到達するのを防止するバッフルをさらに備える、請求項１の光学エンコーダ。
3. 光学エンコーダであって、
   均一かつ対称形の光を放出するように構成されたエミッターであって、コードスケール及びインデックスコードスケールに、反射させるための光を提供するよう動作可能なエミッターと、
   前記コードスケールからの反射光を検出するように構成された第１の検出器と、
   前記インデックスコードスケールからの反射光を検出するように構成されたインデックス検出器と、
   前記エミッター、前記第１の検出器、及び前記インデックス検出器を覆う２ドーム構造の表面を形成する封入材であって、一方のドーム構造の表面が前記エミッター及び前記インデックス検出器を覆い、他方のドーム構造の表面が前記第１の検出器を覆うことからなる、封入材
   を備え、
   前記エミッターは、前記第１の検出器と前記インデックス検出器の間に配置される、光学エンコーダ。
4. 光学エンコーダであって、
   均一かつ対称形の光を放出すように構成されたエミッターであって、コードスケール及びインデックスコードスケールに、反射させるための光を提供するよう動作可能なエミッターと、
   前記コードスケールからの反射光を検出するように構成された第１の検出器と、
   前記インデックスコードスケールからの反射光を検出するように構成されたインデックス検出器と、
   前記エミッター、前記第１の検出器、前記インデックス検出器を覆う単一ドーム構造の表面を形成する封入材
   を備え、
   前記エミッターは、前記第１の検出器と前記インデックス検出器の間に配置される、光学エンコーダ。
5. 前記エミッターと前記第１の検出器の間にあって、前記エミッターからの迷光が前記第１の検出器に到達するのを防止するバッフルをさらに備える、請求項３または４の光学エンコーダ。
6. 前記エミッターは、スリット型エミッターと円形エミッターのうちの一つである、請求項１乃至５のいずれかの光学エンコーダ。
7. 前記第１の検出器が２つのデータチャンネルを備える、請求項１乃至６のいずれかの光学エンコーダ。

Images