JPH02278121A - 反射式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軸の角位置または運動を表わす電気信号を発生
する光学的軸角エンコーダに関する。特に、すべての測
定を回転輪（ホイール）の同じ面で行うことができるよ
うに反射式エンコーダホイールを採用し、これにより電
気接続を行う上での困難を軽減することができるエンコ
ーダに関する。

〔従来技術およびその問題点〕

歩道式（インクリメンタル）光学的運動エンコーダは軸
の位置を決定し、または軸の回転を測定するのに使用さ
れる。模範的な軸角度エンコーダは、たとえば、米国特
許第４．４５１，７３１号および第４．６９１．１０１
号から知られる。このようなエンコーダは、光ビームを
放射する光源、軸の回転に応じて光ビームを変調するエ
ンコーダホイール、および変調光を受けて検出器が受け
た光の量を表わす電気信号を発生する検出器アセンブリ
を備えている。

軸の回転に応じて光が変調されるにつれて、検出品アセ
ンブリからの各電気信号は波形を発生する。軸の位置か
ら各信号のその特定の波形上の位置、すなわち、各信号
の位相が決まる。したかっ・て検出器からの電気信号を
軸の回転を表わすのに使用することができる。別々の検
出器からの、適当に位置のずれた二つ以上の信号を使用
して回転ョン）を通す複数の透明な窓がある不透明なホ
イールを備えている。最も簡単な実施例では、光源はホ
イールの一方の面に隣接して設けられている。

検出器はホイールの反対の面に設置されているのでホイ
ールが回軸するにつれて、発光器からの光は交互に窓を
通して光検出器に送られたり、ホイールの不透明で隠さ
れたりする。このような装置には、特に比較的に廉価な
エンコーダが欲しいとき、多数の欠点が存在する。

この欠点の多くは発光器をホイールの一方の側に設け、
光検出器をホイールの反対の側に設けることから生ずる
可能性がある。このことは電気接続を行わなければなら
ない二つの基板が存在するということを意味する。二つ
の基板を設けると所定の精度を得るのに構成要素の位置
決めや位置合せが複雑になる。このような位置決めや位
置合せはすべてエンコーダの原価をかなり上昇させる。

更に、精度および高いコントラストを得るには、普通、
光源に対してコリメーティング光学系を採用する必要が
ある。これはアセンブリの位置合せのとき複雑さや困難
さの原因を増すと共にエンコーダのサイズを大きくする
。最近では、−船釣に小さいサイズが要求される傾向に
寝ある。

それ故、発光器と光検出器とを一つの基板に取付けるこ
とができる軸角エンコーダを製作するのが望ましい。

〔解決しようとする問題点および解決手段〕本発明は、
上記した問題点を解決するためなされたものであり、ホ
イールの周りの円周径路内に交互に複数の反射性領域お
よび非反射性領域を有する回転可能なコードホイールを
備えた軸角度エンコーダが提供される。発光ダイオード
のような数の光検出器がコードホイールの発光ダイオー
ドと同じ側に整列され、コードホイールの反射性領域か
ら直接反射される光を受ける。これによりコードホイー
ルの位置を示す複数の電気信号が発生ずる。

〔実施例］ 本発明の原理にしたがって構成された実施例に係る軸角
度エンコーダは不透明な正方形のハウジンク１０に内蔵
されており、このハウジングの一方の面を通して軸１１
が延びている。軸はエンコーダをパネルなどに取付ける
ことができるようにするねじ切り部（ねじ山の設けられ
た部分。ｔｈｒｅａｄｅｄｐｏｒｔｉｏｎ）　１２を通
してハウジングに入る。軸の他端１３はハウジングを閉
じている背面板１４にある軸受ソケットに嵌入している
。軸は広範多様などんな装置によっても回転させること
ができ、または人手で回転させることができる。

丸いハブ１６が、該ハブを軸と共に確実に回転させるよ
うにするスプライン１７を備えた軸の一部に取り付けら
れている。添付図面の第１図において、中心線の左のハ
ブの部分を側面図で示してあり、中心線の右ではハブの
断面図を示しである。コードホイール１８は、ハブに対
して堅（保持され、ハブは軸に摩擦係合する円錐形リー
フ（ｌｅａｖｅｓ）２１を有する伝統的なばね保持クリ
ップ１９により軸に保持されている。コードホイール１
８は、非常に薄く（たとえば、５０マイクロメートル）
、単に図示の目的で厚さを幾分誇張して描いである。尺
度の概念を示すと、コードホイールの直径は実施例では
１３ミリメートルよりわずかに大きくなっている。

ハブ１６のコードホイール１８に面している方と反対側
には、ハウジングの内側に対して支持され、もどり止め
（ｄｅｔｅｎｔ）ボール２３をハブ背面に向けて付勢（
バイアス）する、概形が円形のもどり止めばね２２があ
る。−←神≠円周方向に帯状に配列された複数の穴２４
がホイールの後ろには形成されていて、ボールと係合し
、ホイール回転の触診可能な（ｔａｎｇｉｂｌｅ）イン
ジケーションを与える。もどり止めボールは、ハブをも
どり止め穴に対応する複数の位置のどれかに軽く拘束す
るのにも役立つ。かかる構成は、軸がダイアルに結合さ
れる場合など、人手で調節することがある場合に適当で
ある。このようなもどり止めは他の実施例では必ずしも
必要とされない。

印刷回路板２６は背面板に取付けられ、ハウジングの外
側に置かれている。印刷回路板の伝統的なコネクタには
回路板に実装された部品に電気接続する複数のピン２７
がある。幾らかのデータ処理をハウジング内部で行うと
きはこのようなビンは４本で充分である。集積回路光検
出器基板２８および発光ダイオード（ＬＥＤ）２９はコ
ードホイールの周囲に近い位置で印刷回路板に取付けら
れている。ＬＥＤおよび光検出器の基板は正方形のノ＼
ウジングの平らな面のうち軸の周りに４５°の範囲で設
置されており印刷回路板上にこれらコンポーネントとは
別の空間を用意するようにしている。

この実施例において、コードホイールには、発光器およ
び光検出器の基板に対向して、反射性の高い面がある０
反射性とは、その面が、光を拡散と実質上同じである。

窓の帯はハブの前面に形成された円錐形の溝３３の上に
設けられている。したがって、コードホイールを通して
窓の帯の後にあるハブの部分にはコードホイールの反射
面とは平行でない表面がある。したがって、このような
窓を通る光は、全部ではないとしても、コードホイール
の面から鏡面反射する光とは異なる方向に反射すること
になる。このため、窓は窓と窓との間の反射性領域３２
の間の非反射性領域と見なされる。

光をコードホイールから鏡面反射とは異なる方向に反射
する代りに、コードホイールの非反射性領域を拡散反射
器または吸収器（アブソープション）とすることができ
る。たとえば、吸収域は、単色光を吸収する四分の一波
長層で形成することができる。代りに、ハブおよびコー
ドホイールを射出成形プラスチックによるなどして一体
にすることができる。この形式のコードホイールには反
射光に対してコードホイールの平らな面からの反射とは
異なる方向に傾いた凹み領域がある。この凹みは、本発
明の目的では、非反射性の区域を画定する。このような
構成では、コードホイール／ハブの全面を、非反射性領
域を反射性領域の間になお散在させておきながら、反射
性領域からの鏡面反射を良好にするように、メタライズ
することができる。また、反射性領域を、発光器からの
光を光検出器の一層小さな面積に集中させるよう、平ら
な代りに曲げることもできる。このような曲面も滑らか
なときは鏡面反射器とすることができる。

このように、本明細書では、反射性領域は発光器からの
光を光検出器に鏡面反射する区域と見なされ、非反射性
領域は、発光器から「非反射性」領域に入射する光がど
こかで吸収されるかまたは反射されるかには関係なく、
そのように反射しない区域と見なされる。

ＬＥＤおよび光検出器の基板は印刷回路板上の接地用途
パッド３５に取付けられる。ＬＩＥＤ２９は軸の中心軸
から、複数の光検出器領域ｗ、ｘ、ｙ、ｚが形成されて
いる集積回路チップ２８より←←郷小さい単色の光を放
射する伝統的なＬＥＤである。第３図に示すように、線
３７の幅は実用上の実施例において必らず備えなければ
ならないのと同じ幅である。

事実上、この線は半径方向に並べられた光の点源である
。本実施例では、ＬＥＤの発光線の幅は約６４マイクロ
メートル、長さは３２０マイクロメートルである。

集積回路のチップには軸の中心軸から放射状に整列した
４個の細長いフォトダイオードＷ、Ｘ、ｙ、ｚがある。

各フォトダイオードの間の領域に、および最外側のフェ
トダイオードｘ、ｚの外側に、周知の絶縁層または障壁
に短絡されたダミーのドープ領域３８があり、フォト・
ダイオードへの、およびフォトダイオード間の洩れ電流
を極力少くしている。

−ドからの暗電流を極力少くしてコントラストを高める
。

集積回路チップ２８はまた２個の比較器または演算増幅
器４１を備えた周知のものでよい信号回路３９（第６図
に概略的に示しである）を備えている。

ＬＥＤの負荷抵抗器４２は基板に隣接する印刷回路板に
取付けられている。他の個々の回路要素、ワイヤ・ボン
ド・パッド、および電気接続は明瞭にするため省略しで
ある。

４個のフォトダイオードからの信号はマーク・ジー・レ
オナードによる米国特許第４，６９１，１０１号（特開
昭６１−２９２０１６号）に記しであるのと実質上同じ
仕方で処理される。フォトダイオードからの四つの信号
は演算増幅器４１により比較され、軸の位置または運動
を決定することができる２チヤンネルの出力論理を発生
する。

図示した実施例では、ホイールの周りの円周方向径路に
３２の反射性領域を有するコードホイールに好適な４個
の光検出領域がある。反射性領域のたとえば、コードホ
イールに反射性領域が６４ある実施例では、レオナード
の特許に記されているように方形に（ｉ　ｎ　ｑｕａｄ
ｒａ　ｔｕｒｅ）に接続された８個の光検出器領域を採
用するのが望ましい。更に、反射性領域が１２０あるコ
ードホイールの場合には、４個の光検出器領域の３サイ
クルすなわち全部で１２を採用するのが望ましい。

ＬＥＤの発光線３７はフォトダイオードｗ、ｘ、ｙ、Ｚ
のアレイを２等分する方向にある。コード回転軸上に交
互に反射性および非反射性の区域を作っている円周方向
の径路は軸から半径方向にＬＥＤとＬＥＤから放射され
た光は反射して光検出器を照明する。光検出器は軸の中
心軸からＬＥＤより更に遠このような照明の一般的パタ
ーンを第４図から第６図までに破線で概略示しであるが
、これでは方向平面内の照明を示しているが、第５図は
、円周方向の照明を示している。

図面から明らかになるはずの一つの事柄は４個の光検出
器領域はコードホイール上の１反射性領域およびｌ非反
射性領域の各サイクルの幅の約２倍を持っているという
ことである。コリメート光およびレオナードの特許に記
されている測定技法を採用しているエンコーダでは、１
検出器サイクル（４個の光検出器）の幅はコードホイー
ルの１サイクルと同じである。

ここに提供する反射式エンコーダで、光は光源から反射
性領域に向って発散する。この光は入射角で反射し、実
質上同じ距離を進んで光検出器に戻る。したがって、光
は発散し続け、被照明域（第５図に参照数字３６で示し
である）は反射性区域の２倍の幅がある。したがって、
レオナードの特許の場合と同じにエンコードするには、
４個の検出器の完全サイクルの幅をコードホイールのサ
イクルの２倍にすべきである。同様に、個々の各光検出
器領域の幅は窓の幅または窓と窓との間の反射性領域の
幅と同じである。

この関係は幾つかの理由で精密でない。図示した実施例
ではＬＥＤおよび光検出器はコードホイールの平面に平
行な平面内に概略存在するが、これ耐性領域までの方よ
りわずかに少い。反射角が９０°から次第に異なるにつ
れて被照明域に平行な平面上の被照明域は視差によって
も拡大する。

ＬＥＤ上の発光線の幅は有限である。集積回路チップ上
の半導体領域の間隔に関する物理的制限も実際に使用さ
れる光検出器の幅に影響を及ばず。しかし、これらの食
い違いは少いので、幅の関係はほぼ上述のとおりである
。

光検出器は反射性領域の幅が回転するにつれて、交互に
照明されたり照明されなかったりすることも明らかであ
ろう。したがって、フォトダイオードによる信号は、レ
オナードの特許のコードホイール上器のアレイを２等分
する半径方向に最も近く且つ反対側にある光検出領域４
、ｙは外側の光検出器領域＝、２よりわずかに小さくす
ることができる。　ＬＥＤと外側の光検出器領域との間
の光路長は内側の光検出器までの光路よりわずかに長じ
全光束が各光検出器領域を照明するように太きくなって
いる。この向上策は、光検出器の２サイクル以上を利用
するときは、各チャンネル内の内領域を作る帯が一つし
かない。これは所要の情報が、軸の絶対位置ではな（、
軸の回転の大きさである場合には充分である。絶対位置
が重要である場合には、コードホイール上に指標を設け
て位置を周知の方法を利用して決定することができる。

説明し、図示した構成の明確な利点は発光装置に関連し
てレンズを必要とせず、光が多かれ少なかれ等方向に放
射されることである。しかし、光の強さはＬＥＤのとこ
ろに光検出器の方に反射することができない区域を照明
する光の量を極力少くする集光レンズを設けることによ
り太き（することができる。

光学的軸角度エンコーダの一実施例についてここに説明
し、図示してきたが、多数の修正および変形が当業者に
は明らかであろう、したがって、たとえば、この実施例
では、コードホイール上に円周方向に延びる交互に反射
性および非反射性のおよび非反射性領域を採用するのが
望ましい。他の多数の修正および変形が当業者には明ら
かであり、それ故、上記した特許請求の範囲内において
、本発明を特に記述した実施例以外に実施することがで
きることは言うまでもない。

〔効　果〕

本発明は、以上のように構成され作用するものであるか
ら、上記した課題を達成しうるエンコーダを提供するこ
とができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係り、第１図は軸角度エンコー
ダの一部断面側面図である。 第２図は、コードホイールの一面の一部を示す平面図で
ある。 第３図は、発光器および光検出器を備える基板の平面図
である。 第４図は、コードホイールを模式的に示す一部拡大断面
図である。 第５図は、発光器によって光検出器が照射される様子を
示す図である。 第６図は、エンコーダのブロック回路図である。 出願人　溝肩・ヒユーレット・パッカード株式会社代理
人　弁理士　　長　谷　川　　次　男７２つ・４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円周経路上に交互に配置された複数の反射領域と非反射
   領域とを有するコードホィールと、前記円周経路を照射
   する発光デバイスと、該発光デバイスから照射され前記
   反射領域で反射された光を受けるように配列された光検
   出器アレイと、前記光検出器アレイからの信号を比較し
   て前記コードホィールの回転を示す信号を発生する比較
   手段とを具備することを特徴とする反射式エンコーダ。