JP5255228B2 - 高性能反射性光学エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、一般には光学エンコーダに関し、特に、従来技術のエンコーダよりも高いコントラストを有する改善された光学エンコーダに関する。

光学エンコーダは、動きを検出し、典型的には、モータ制御システムに対して、クローズド・ループのフィードバックを提供する。コードスケール（code scale）と共に動作させられる時には、光学エンコーダは、動き（該コードスケールの直線的な動作か又は回転動作）を検出し、その検出した動きをディジタル信号に変換し、該コードスケールの運動か、位置か、又は速度を符号化する。ここでの用語「コードスケール」は、コードホイール（code wheel）とコードストリップ（code strip）とを含む。

コードスケールの動きは通常、光エミッタ及び光学検出器の手段によって、光学的に検出される。光エミッタは、コードスケール上に当たり且つ該コードスケールから反射される光を放射（又は発光）する。典型的なコードスケールは、既知のパターンに光を反射するスロット（slot）とバー（bar）との規則的なパターンを含む。光は、コードスケールから反射されるか、又は反射されないかのいずれかである。その反射された光は、光学検出器によって検出される。コードスケールが動くと、前記バー及びスペースのパターンに対応する、変化する明暗パターンが、光学検出器に到達する。光学検出器は、これらのパターンを検出して、その検出された光に対応する電気信号を生成し、該電気信号は、対応するパターンを有する。該パターンを含む該電気信号は、コードスケールの位置、速度、及び加速度についての情報を提供するように用いられることが可能である。

図１Ａは、既知の光学エンコーダ１００及びコードスケール１２０の側面断面図を示す。図１Ｂは、光学エンコーダ１００から眺めたような（又は光エンコーダの視界にあるような）コードスケール１２０である。図１Ａ及び図１Ｂは、より明瞭にするための、配向軸の表示を含む。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、エンコーダ１００は、リードフレーム１０６のような基板１０６上に実装された光エミッタ１０２と光学検出器１０４とを備える。リードフレーム１０６の適切な一部分としての光エミッタ１０２と光学検出器１０４とが、例えば透明エポキシのカプセル（encapsulant）１０８内に、封じ込められている。カプセル１０８が、光エミッタ１０２の上の、第１のドーム型表面１１０（第１のレンズ１１０）を画定し、光学検出器１０４の上の、第２のドーム型表面１１２（第２のレンズ１１２）を画定する。

光エミッタ１０２は、光（１１４）を放射し、その光が、第１のレンズ１１０を介してカプセル１０８から放出される。第１のレンズ１１０は、その放射された光１１４を、コードスケール１２０に向けて集中させるか又は導き、その光が、コードスケール１２０から反射させられる。その反射させられた光１１６が、第２のレンズ１１２を介して、光学検出器１０４に到達する。第２のレンズ１１２は、前記反射させられた光を、光学検出器１０４に向けて集中させるか又は導く。光学検出器１０４を、単なる一例としての、光検出器（フォト検出器）とすることができ、該光検出器は、光を電気信号へと変換する。

第１のレンズ１１０及び第２のレンズ１１２の形状とサイズとが、単なる例としての、レンズ１１０及び１１２からコードスケール１０２までの距離、及びエミッタ１０２と検出器１０４の特性のような、様々な要因によって影響される。

頻繁に、レンズ１１０と１１２との間のスペース（間隔）１１８が、カプセル１０８を包む同じ材料によって満たされ、平坦な表面１１７を有する。該平坦な表面１１７が、ある表面を提供しており、エミッタ１０２からの逸れた光１１９のような逸れた光が、該表面から反射して、反射させられた逸れた光１２１として検出器１０４上に当たる。そのような逸れた光１１９は、望まれていない。何故ならば、検出器１０４に到達する逸れた光は、誤った信号を発生させて、所望の信号を分析することが可能な分解能（又は解像度）を低下させるからである。

従って、これらの欠点を軽減するか又は克服する改善された光学エンコーダの必要性が依然として残存する。

その必要性は、本発明によって対処される。本発明の一例の実施形態において、光学エンコーダは、エミッタ、第１のレンズ、検出器、第２のレンズ、及び突出部を備える。前記エミッタは、光を放射し、該光は、反射させるためのコードスケールへと前記第１のレンズによって導かれる。その反射させられた光は、前記第２のレンズによって、前記検出器に導かれる。前記検出器は、前記コードスケールからの前記反射させられた光を検出する。前記突出部は、前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間にある。前記突出部は、少なくとも１つの表面を画定し、該表面は、前記エミッタからの逸れた光を、前記検出器から離れるように屈折させる。従って、その逸れた光は、前記検出器に到達しないことから、該検出器は、より効果的に作動することが可能である。

前記突出部を、多くの様々な形に形成することができる。例えば、前記突出部は、円錐台を含む（但しこの形に限定されない）錐台の形状を有することができる。代替として、前記突出部は、追加的な単なる例としての、ピラミッド形状か又は概して半球形状を有することができる。前記突出部は、前記第１のレンズと前記第２のレンズとを接続する。実際には、前記突出部と、前記２つのレンズとを、カプセルを包む同じ材料から作ることができる。該カプセルを包む材料は、前記第１のレンズか、前記第２のレンズか、前記突出部か、又はこれらの任意の組み合わせを画定する表面を含むように形成される。更に、カプセルを包む材料は、前記エミッタか、前記検出器か、又はそれら両方を、該エミッタに近接している第１のレンズと前記検出器に近接している第２のレンズと共に、該カプセル内に封じ込める。

本発明の他の態様と利点とが、本発明の原理を例示する目的で示される添付図面に関連付けられて、以下の詳細な説明から明らかになってくるであろう。

エミッタから放射された逸れた光を、検出器から離れるように導くことによって、検出器を効果的に動作させることができ、所望の信号を分析することが可能な分解能を向上させることができる。

本発明は、本発明の様々な実施形態を示す図面に関連して次に説明される。図面内において、構成物又は一部分のいくつかのサイズは、例示する目的のために、強調（誇張）されている可能性があり、他の構成物又は一部分のサイズに対する縮尺には従っておらず、従って、本発明の一般的な構成を例示するために提供されている。更には、本発明の様々な態様が、他の構成か、他の一部分か、又はその両方に対して「上に」か又は「上部に」位置付けられた構成物か又は一部分に関連して説明されている。例えば「上に」か又は「上部に」のような相対的な用語及び語句は、図面内に記載されているような、１つの構成のか又は一部分の、別の構成又は一部分に対する関係を説明するために、本明細書内において用いられている。図内に図示された配向に加えて、デバイスの異なる配向を包含するように、そのような相対的な用語が、意図されていることが理解されよう。

例えば、図内のデバイスが、ひっくり返されるか、回転させられるか、又はその両方の場合には、他の構成又は一部分の「上に」か又は「上部に」として記載された構成又は一部分は次に、その他の構成又は一部分の「下方に」か、「下に」か、「左に」か、「右に」か、「前方に」か、又は「後方に」配向されることとなる。別の構成又は一部分の「上に」か又は「上部に」形成されている状態の構成又は一部分への参照は、追加的な構成又は一部分が、仲介することができることを期待している。仲介する構成又は一部分が無く、別の構成又は一部分の上にか又は上部に形成されている構成又は一部分への参照は、その他の構成か又はその他の一部分の「直接上に」か又は「直接上部に」形成されている状態として、本明細書内において記載される。同様の参照番号は、本明細書内にわたって同様の要素を指す。

図２を参照すると、本発明の一実施形態による、光学エンコーダ２００の側面断面図が示されている。光学エンコーダ２００は、光を放射させるよう動作させることが可能なエミッタ１０２を備える。その放射された光は、反射させるためのコードスケール１２０に向かって第１のレンズ１１０によって導かれる。その反射させられた光は、第２のレンズ１１２によって、検出器１０４に向かって導かれる。該検出器１０４は、該第２のレンズ１１２によって導かれたその反射させられた光を検出するよう構成される。エミッタ１０２と検出器１０４とを、リードフレーム１０６のような基板１０６上に実装することができる。

光エミッタ１０２は、例えば透明エポキシを含む、カプセルを包む材料１０８内に、封じ込められている。該カプセル１０８は、前記第１のレンズ１１０を画定するドーム型の表面１１０を含む。該第１のレンズ１１０は、前記エミッタに近接している。図示されたサンプルの実施形態内において、カプセルを包む同等の材料１０８が使用されて、検出器１０４をカプセル内に封じ込めて、前記第２のレンズ１１２を画定するドーム型表面１１２を形成している。該第２のレンズ１１２は、前記検出器に近接している。

図示されたサンプルの実施形態内において、カプセルを包む同等の材料１０８が使用されて、突出部２０２が形成されている。該突出部２０２は、第１のレンズ１１０と第２のレンズ１１２との間にある。実際には、突出部２０２は、第１のレンズ１１０と第２のレンズ１１２とを接続する。突出部２０２は、突出部表面２０３を画定する。該突出部表面２０３が、逸れた光１１９を屈折させる。これにより、その屈折させられた逸れた光２０５は、検出器１０４に到達しないこととなる。従って、逸れた光１１９が検出器１０４に到達することが防止される。

図２はまた、側面断面図内において、光学エンコーダ２００が図示されている。３次元において、図２内に示されるように、突出部２０２が、錐台の形状である。すなわち、ピラミッド型の錘台か、又は円錐台である。

図３は、光学エンコーダ３００として、本発明の光学エンコーダの別の実施形態の側面断面図を示す。図３を参照すると、光学エンコーダ３００の一部分は、図２の光学エンコーダ２００の対応する一部分に類似している。光学エンコーダ３００は、図２の光学エンコーダ２００の突出部２０２の表面２０３の角度２０７とは異なる、角度３０７における表面３０３を提供するピラミッド形状を有する突出部３０２を含む。光学エンコーダ３００によって、類似の所望の結果が達成される。すなわち、突出部３０２とその表面３０３は、逸れた光１１９を屈折させ、それにより、その屈折させられた逸れた光３０５は、検出器１０４に到達しないこととなる。従って、逸れた光１１９が検出器１０４に到達することが防止される。

図４は、光学エンコーダ４００として、本発明の光学エンコーダの更に別の実施形態の側面断面図を示す。図４を参照すると、光学エンコーダ４００の一部分は、図２の光学エンコーダ２００の対応する一部分に類似している。光学エンコーダ４００は、曲面を提供する概して半球形状を有する突出部４０２を含む。光学エンコーダ４００によって、類似の所望の結果が達成される。すなわち、突出部４０２とその表面４０３は、逸れた光１１９を屈折させ、それにより、その屈折させられた逸れた光４０５は、検出器１０４に到達しないこととなる。従って、逸れた光１１９が検出器１０４に到達することが防止される。

図２、図３、及び図４を参照する。突出部２０２、３０２、及び４０２の各々は、第１のレンズ１１０と第２のレンズ１１２とを接続する。実際には、突出部２０２、３０２、及び４０２は、第１のレンズ１１０及び第２のレンズ１１２と同等の、カプセルを包む材料１０８によって作られる。

図５は、２つの曲線５００と５０２とを示す。第１の曲線５００は、従来技術の図１の光学エンコーダ１００を用いて測定された様々な分解能における測定された画像コントラストを明示する。測定された画像コントラストは、パーセンテージにおけるものである。すなわち、分解能は、０．０２５４ｍ（１インチ）当りのラインとして測定されている。第１の曲線５００によって示されるように、測定されたコントラストは、０．０２５４ｍ（１インチ）当り１００ラインにおいて、わずかに４０パーセントを越えており、より高い分解能において減少している。０．０２５４ｍ（１インチ）当り２５０ラインの分解能において、測定されたコントラストは、たったの約２０パーセントにおけるものである。

第２の曲線５０２は、図２の光学エンコーダ２００を用いて測定された様々な分解能における測定された画像コントラストを明示する。第２の曲線５０２によって示されるように、測定されたコントラストは、０．０２５４ｍ（１インチ）当り１００ラインにおいて、容易に９０パーセントを越えている。より高い分解能においてでさえ、光学エンコーダ２００の場合における測定されたコントラストは、図１の光学エンコーダ１００の測定されたコントラストよりもずっと高い。０．０２５４ｍ（１インチ）当り２５０ラインの分解能において、測定されたコントラストは、光学エンコーダ２００の場合には、５０パーセントに近い。逸れた光が検出器１０４に到達することが防止される事実によって、コントラストにおけるそのような改善が結果として生じる。

上述から、本発明が新規であり、従来技術を上回る利点を提供することが明らかであろう。本発明の特定の実施形態が上記において説明され且つ図示されたが、本発明は、そのように記載された及び図示された部品の特定の形状か又は構成に限定されない。例えば、異なるコンフィギュレーションか、サイズか、又は材料を使用することができるが、本発明の範囲内に依然として入る。本発明は、添付の特許請求の範囲によって制限される。

既知の光学エンコーダ及びコードスケールの側面断面図である。 図１Ａの光学エンコーダから眺めたような図１Ａのコードスケールを示す図である。 本発明の一実施形態による、光学エンコーダを示す図である。 本発明の別の実施形態による、光学エンコーダを示す図である。 本発明の更に別の実施形態による、光学エンコーダを示す図である。 本発明の光学エンコーダの動作特性と、従来技術の光学エンコーダの動作特性とを比較した場合を例示するために有用な曲線を含むグラフである。

符号の説明

１０２ エミッタ
１０４ 検出器
１１０ 第１のレンズ
１１２ 第２のレンズ
２００ 光学エンコーダ
２０２ 突出部
３００ 光学エンコーダ
３０２ 突出部
４００ 光学エンコーダ
４０２ 突出部

Claims (3)

1. 光学エンコーダであって、
   光を放射するよう動作可能なエミッタと、
   前記エミッタ上の近傍の第１のレンズであって、反射させるためのコードスケールに、前記放射させられた光を導くよう構成される、第１のレンズと、
   前記コードスケールからの反射させられた光を検出するよう構成された検出器と、
   前記検出器上の近傍の第２のレンズであって、前記検出器に、前記反射させられた光を導くよう構成された、第２のレンズと、
   前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に接続された突出部であって、少なくとも１つの表面を該突出部が画定し、前記エミッタからの逸れた光を、前記検出器から離れるように屈折させるよう該少なくとも１つの表面が構成されていることからなる、突出部
   とを備え、
   １つのカプセル内に前記エミッタと前記検出器とが封じ込まれており、該カプセルが、前記第１のレンズの第１のドーム型表面と、前記第２のレンズの第２のドーム型表面と、前記突出部の第３の表面とを含み、
   前記第１のドーム型表面と前記第３の表面との接続部分と、前記第２のドーム型表面と前記第３の表面との接続部分とが、いずれも、前記エミッタ及び前記検出器の上方に配置されており、及び、
   前記突出部が、ピラミッド型の錘台の形状か、円錐台の形状か、ピラミッド形状か、又は半球形状を有しており、該形状を有した前記突出部の前記第３の表面が、前記第１のドーム型表面上と、前記第２のドーム型表面上とに対して直接的に接続されていることからなる、光学エンコーダ。
2. 前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、及び前記突出部が、前記カプセルの材料と同じ材料から構成される、請求項１に記載の光学エンコーダ。
3. 前記カプセルの材料が、透明エポキシを含むことからなる、請求項１又は２に記載の光学エンコーダ。

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