JPH06103688A - 角位置を検出するための光学エンコーダ - Google Patents

角位置を検出するための光学エンコーダ

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JPH06103688A
JPH06103688A JP5158583A JP15858393A JPH06103688A JP H06103688 A JPH06103688 A JP H06103688A JP 5158583 A JP5158583 A JP 5158583A JP 15858393 A JP15858393 A JP 15858393A JP H06103688 A JPH06103688 A JP H06103688A
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JP5158583A
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Mohsen Khoshnevisan
モーセン・コシュネビサン
Jeffrey S Schoenwald
ジェフリー・エス・ショーエンワルド
Jonathan P Rode
ジョナサン・ピィ・ロード
Raymond J D Smith
レイモンド・ジェイ・ディ・スミス
Bruce G Kolloff
ブルース・ジィ・コロフ
Steve Beccue
スティーブ・ベックー
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Boeing North American Inc
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Rockwell International Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定装置の製造コストをかなり低減する、角
位置の高精密測定を行なうための新技術を提供すること
である。 【構成】 角位置を検出するすめたの光学エンコーダは
主表面と主表面に対して直角をなす回転軸とを有する回
転可能光学媒体を含み、複数の均等に大きさ決めされた
角セクタが表面上に規定される。環状のデジタルトラッ
クが軸と同心に表面上に規定され、複数のデジタルビッ
トが各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上
に形成される。各ビットは２進の１または０として読取
可能であり、各複数のビットが２進のワードを規定す
る。第１の一連の光学的に検出可能なアナログマークが
表面上の第１のアナログトラックのまわりに均等に間隔
をあけられる。セクタ内の２進ワードがそのセクタの角
位置を識別すべく光学的に読取られ、媒体のおよその角
位置を示し、かつ第１の一連のアナログマークが光学的
に検出されておよその角位置の表示をより精密なものに
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】この発明は、軸（シャフト）または回転
部材の角変位を正確に測定するために使用される光学エ
ンコーダに関する。より詳細には、デジタルとアナログ
の検知を組合わせて回転部材の角位置を光学的に確かめ
るための技術に関する。
【０００２】様々な装置における精密測定に必要とされ
るのは角位置を確かめるための安価で分解能の高い方法
である。様々な応用、たとえば銃の小塔、製紙プラン
ト、工作機械、直接駆動モータ、およびロボット工学に
おける応用において使用されるようなステップモータ
は、角位置の高精密度の表示を必要とする。このような
角変位情報は、後の処理工程で、またはシステムエラー
および不整合のフィードバックインジケータとして使用
され得る。
【０００３】先行技術の絶対エンコーダは２進フォーマ
ットでエンコーダの位置を直接的に読むために多チャン
ネルリーダに結合された様々な半径の一連の省略された
線を有するディスクを採用する。このようなシステムは
単純かつ安価ではあるが、現代の高度な精密機器により
要求される精度は提供しない。
【０００４】他の先行技術のエンコーダには、キャノン
（Canon ）により製作されるレーザ増分エンコーダモデ
ルＸ−１等のレーザ技術を使用するものもある。この装
置における一連の複雑なプリズムが１回転当り２２５，
０００の正弦波を作り出すために使用される。この２２
５，０００の波は各々波当り８０パルスに分割されて１
回転当り１８，０００，０００のパルスを発する。この
レーザ回転エンコーダにおいて採用される原則はその外
周に一連の半径方向に配向されたバーを有する格子ディ
スクのものである。これら半径方向に配向されたバーは
大変小さくしたがってかなりの正確さでディスク上に位
置決めされる必要がある。このレーザ回転エンコーダに
必要とされる格子バー公差を有する格子ディスクを製作
することは難しくかつ費用がかかる。さらに、この格子
ディスクは同様に厳しい製造要件を有する位相プレート
とともに使用される必要がある。
【０００５】結果として、このような高精密回転エンコ
ーダのコストは桁外れに高くなる。さらに、この装置内
の電子部品のために、このようなエンコーダが使用され
得る動作環境には制限がある。エンコーダの動作温度は
およそ１０℃から４０℃の範囲の温度を維持しなければ
ならない。さもなければ、測定値が不正確になり得るの
みならず、エンコーダ自体が損傷を受けたり破損したり
する可能性がある。結果的に、位置エンコーダヘッドに
いかなる電子部品をも必要としない装置を採用する何ら
かの低温および高温位置測定の応用が必要である。
【０００６】必要とされるのはこのクラスのエンコーダ
に関して入手可能なものを超える精度と分解能を有する
角変位回転エンコーダである。かかるエンコーダのコス
トは、複雑レーザ回転エンコーダに伴う費用をかなり下
回らなければならず、かつ一方でその分解能は標準的な
直接デジタル読出エンコーダで得られるものよりかなり
高いものでなければならない。
【０００７】
【発明の概要】回転変位の測定にコンパクト光ディスク
技術を採用することで、この発明は測定装置の製造コス
トがかなり低減された、角位置の高精密測定を達成する
ための新技術を提供する。
【０００８】角位置を検知するための光学エンコーダ
は、主表面と、この表面に対し直角をなす回転軸とを有
する回転可能光学媒体とを含み、複数の均一に大きさ決
めされた角セクタが表面上に規定される。軸と同心の表
面上に円状デジタルトラックが規定され、表面上には、
複数のデジタルビットが各セクタ内のデジタルトラック
に沿って順次形成される。これらビットの各々は２進の
１または２進の０として光学的に読取可能で、複数のビ
ットの各々が２進のワードを規定する。第１のアナログ
トラックが軸と同心の表面上に規定され、第１の一連の
光学的に検出可能なアナログマークが表面上に形成され
かつ第１のアナログトラックのまわりに均等に間隔をあ
けられる。セクタ内の２進のワードは光学的に読取られ
てそのセクタの角位置を示しかつそれによりその媒体の
およその角位置を示すことが可能でありかつ第１の一連
のアナログマークは光学的に検出されてこのおよその角
位置表示を細かく（refine）しかつそれにより媒体のた
めのより正確な角位置を表示することができる。
【０００９】環状デジタルトラックは、各セクタ内のデ
ジタルトラック上に記録されかつすべてのセクタにおい
て共通の値を有してセクタの始まりを示す２進のスター
ト記号と、各セクタ内のデジタルトラック上に記録され
かつそれが記録されているセクタを識別する独自の値を
有する２進のセクタナンバーとを含み得る。
【００１０】光学エンコーダは、軸と同心の表面上に規
定された第２のアナログトラックをさらに含んでもよ
く、第２の一連の光学的に検出可能なアナログマークが
表面上に形成されかつ第２のアナログトラックのまわり
で均等に間隔をあけられ、第２の一連のマークの数は第
１の一連のマークの数に等しい。加えて、第２の一連の
マークの各々は、第１の一連のマークの間隔の８分の１
に等しい角量だけ第１の一連のマークのうち対応するマ
ークに対して円周方向に変位されている。第２の一連の
マークは第１の一連のマークに関連して光学的に検出さ
れそのおおよその角位置表示を細かくし得る。
【００１１】環状デジタルトラックはさらに、各セクタ
内のデジタルトラック上に記録されかつすべてのセクタ
内で共通の値を有してセクタの始まりを表示する２進ス
タート記号と、各セクタ内のデジタルトラック上に記録
されかつそれが記録されているセクタを識別する独自の
値を有する基数３セクタ番号とを含んでもよく、セクタ
番号の各々の数字が第１のアナログトラック内のマーク
とまたは第２のアナログトラック内のマークとの放射状
の整合によりコード化される。
【００１２】光学エンコーダはさらに軸と同心の表面上
に規定される第３および第４のアナログトラックを含ん
でもよく、第３の一連の光学的に検出可能なアナログマ
ークが第１の一連のマークの間隔の４分の１だけ第１の
一連のマークに対して変位されており、かつ第４の一連
のマークが間隔の８分の３だけ変位されている。第３お
よび第４の一連のマークは第１および第２の一連のマー
クとの関連において光学的に読取られておよその角位置
表示をさらに細かくすることが可能である。
【００１３】この実施例においては、環状のデジタルト
ラックがさらに各セクタ内のデジタルトラック上に記録
されかつすべてのセクタにおいて共通の値を有してセク
タの始まりを示す２進スタート記号と、各セクタ内のデ
ジタルトラック上に記録されかつそれが記録されるセク
タを識別する独自の値を有する基数５セクタ番号とを含
んでもよく、セクタ番号の各数字は、第１のアナログト
ラック内のマーク、第２のアナログトラック内のマー
ク、第３のアナログトラック内のマーク、または第４の
アナログトラック内のマークとの半径方向の整合により
コード化される。
【００１４】光学エンコーダはさらに軸からの半径に沿
って表面を照らすための光源を備えてもよく、照らされ
た半径が媒体の回転に関して固定される。デジタルトラ
ック内のビットからの照り返しの部分を検出し、かつ第
１のアナログトラック検出器が第１のアナログトラック
内のマークからの照り返しの部分を検知する。信号処理
および復号化手段が、デジタルトラック検出器の出力を
２進のワードに変換しかつ第１のアナログトラック検出
器の出力から媒体の正確な角位置を補間するために設け
られる。
【００１５】光学エンコーダは光源と光学媒体との間で
かつ媒体の表面近くに位置決めされた不透明なマスクを
含んでもよく、デジタルトラックはデジタルトラックの
正確な領域を照らすことを可能にするためにマスク内に
開口を有し、かつ第１のアナログトラックは第１のアナ
ログトラックの正確な領域を照らすことを可能にするた
めにマスク内に開口を有する。
【００１６】非回転読取ヘッドは光学媒体を摺動自在に
係合し得る。デジタルトラック光コリメータが光源から
の光をデジタルトラックに伝達しかつデジタルトラック
から反射された光をデジタルトラック検出器に伝達する
ために読取ヘッドに取付けられる。デジタルトラック光
カプラが光源と、デジタルトラック光コリメータと、デ
ジタルトラック検出器との間に接続される。デジタルト
ラック光ファイバはデジタルトラック光カプラをデジタ
ルトラック光コリメータに結合する。第１のアナログト
ラック光コリメータが、光源からの光を第１のアナログ
トラックに伝達しかつ第１のアナログトラックから反射
された光を第１のアナログトラック検出器に伝達するた
めに読取ヘッドに取付けられる。第１のアナログトラッ
ク光カプラが、光源と、第１のアナログトラック光コリ
メータと、第１のアナログトラック検出器との間に接続
される。第１のアナログトラック光ファイバは、第１の
アナログトラック光カプラを第１のアナログトラック光
コリメータに結合する。
【００１７】
【発明の説明】この発明は、ハイブリッドアナログ／デ
ジタル光学エンコーダを使用する角位置の精密検出のた
めの新しい技術を提供するものであって、その精度は使
用されるトラックの数に依存する。以下に説明する特定
の実施例においては、角変位はたとえば単一の回転の１
／１０００；１／１００００；１／４００００；または
１／１６００００の範囲内まで分解されることが可能で
ある。分解能のさらなる改善は、写真製版技術、ディス
ク製作、およびより短い波長のレーザの進歩とともに可
能となることであろう。本願発明による解決策では、コ
ンパクトディスクの製作、録音、および読取りのために
開発された技術の既存の土台を利用する光学回転位置符
号化技術への新しい方策を採用する。コンパクトディス
ク技術は干渉反射を利用する。データは、ディスク上の
プラスチック層に段または凹みを形成するエンボス加工
によりコンパクトディスク上に記憶される。この段また
は凹みは、ディスクを読出す際に使用される光の波長の
４分の１に等しい深さに形成される。データ読出の間、
レーザビームが段または凹みと、これを囲む段または凹
みの面積に等しい追加の領域とを照らす。凹みから反射
された光は周囲の領域から反射された光に対して１８０
°位相がずれることになる。これら反射間の干渉により
ディスクのその領域から反射された正味の光パワーはゼ
ロに近くなる。対照的に、反射する光のすべてが同位相
にあるので、検出器から見て領域内に凹みがない場合に
は有意非ゼロ光信号が発生されることになる。こうして
情報は凹みの存在または欠如のいずれかを２進の「１」
として指定することによりディスク上に２進フォーマッ
トで記憶することが可能で、かつもう一方の状態が２進
の「０」として指定される。
【００１８】本願発明の光学エンコーダにおいて使用す
るためのエンコーダディスクは従来技術で行なわれてい
るように、ガラスから製作が可能で、コード化は、コー
ディングピット（凹み）がマスタダイからエンボス加工
されるプラスチックの上おき層により行なわれる。プラ
スチックはその後典型的にはアルミニウムまたは金の高
反射金属層で覆うことが考えられる。
【００１９】現在のコンパクトディスク製作技術を利用
して製作した約半径３センチの円形ディスクは、必要な
分解能を出すために、位置エンコーダとして十分採用さ
れ得る。そのような回転自在ディスク（以後エンコーダ
ディスクと呼ぶ）の一実施例が平面図である図１にディ
スク１０２として示され、このディスクは半径ｒのとこ
ろで、ディスクの回転軸１０６と同心の環状デジタルト
ラック１０４を設けられる。たとえば線１０８でアウト
ラインを示すセクタ領域等のいくつかの均一に大きさ決
めされた角セクタがディスク１０２の表面に関して指定
される。ディスクはたとえば１０００のこのような角セ
クタに分割され得る。１０００のセクタを選択するの
は、エンコーダディスクの半径による制約と、コンパク
トディスク技術において使用されるピットの物理的寸法
を兼ね合せてのことである。より大きなエンコーダディ
スクはより多くのセクタに分割が可能てあり、かつより
小さなディスクはより少ない分割で済むと考えられる。
ディスクはまた軸１０６と同心の表面上に規定される環
状の、第１、第２、第３、および第４のアナログトラッ
ク１１０、１１２、１１４、および１１６を含む。
【００２０】図２は１つの角セクタの部分を示す図１の
拡大図である。デジタルトラック１０４内では、各セク
タ内のトラックに沿って順次ディスクの表面上に一連の
デジタルビットが形成される。このようなビットの各々
は２進の１または２進の０として光学的に読取可能であ
り、かつセクタ内のビットの各連続が２進のワードを規
定する。たとえば図示されたセクタには１０個のデジタ
ルビット１２０−１３８がある。各ビットはまた上に段
またはピット（凹み）として言及したものに相当し、ビ
ット１２０、１２４、１３０、１３２、１３４、および
１３８等の「暗い」ビットは、ピットが周囲の領域から
反射する光に干渉する位相を外れた光を作る位置に相当
し、最小の反射光エネルギが生じる。「明るい」ビッ
ト、たとえばビット１２２、１２６、１２８、および１
３６は、ピットがなくしたがって、最大量の光エネルギ
がこれらの領域から反射される位置に相当する。上記の
とおり、ビットの「センス」は等しく逆転させることが
可能で、反射した光エネルギが論理「１」ビットまはた
は論理「０」のいずれかを表わす。
【００２１】図２において、セクタに含まれるデジタル
ワード内には１０のビットが存在する点に留意された
い。初めの２ビット１２０と１２２とがスタート記号と
して使用され、残りの８つで位置情報がコード化され得
る。
【００２２】エンコーダディスク１０２の大きさと他の
要素に依存して、セクタの大きさに関する典型的な計算
は以下のとおりである。
【００２３】
【数１】
【００２４】ここで、ｒｄφはセクタの長さでありかつ
対する角度である、すなわち２πの１／１０００であ
る。１０００００に１より大きい角度分解能を達成する
ためにたとえば３センチの半径を選択したとすると、セ
クタは１８８ミクロンの長さになると考えられる。以下
に示す１０ビットのデジタル列は、１０００分の１の分
解能までのセクタの絶対アドレスを提供できる。これら
の１０ビットは角セクタの中心にうまくフィットし、ワ
ードを分離するためにデジタルコードセグメントの両側
に空白のスペースを残す。
【００２５】デジタルトラック１０４に加えて、第１の
アナログトラック１１０および第２のアナログトラック
１１２が図２に示される。第１のトラックは光学的に検
出可能なマークたとえばマーク１４２等の第１の一連マ
ークを含み、これらはトラックのまわりに均等に間隔決
めされている。上記の実施例では、３センチの半径を有
するエンコーダディスクが使用されたが、第１のアナロ
グトラック内ではディスクのまわりにこのようなマーク
１４２が１００００個位置決めされる。好ましい実施例
においては、これらのマークは約１８．８ミクロンの中
心から中心までの距離と約４．０ミクロンの幅を有し、
この寸法は容易に現在のコンパクトディスク光学製版技
術の範囲に包含される。
【００２６】デジタルトラック１０４と第１のアナログ
トラック１１０は読取られた最後のセクタワードに関連
する増分位置情報を提供し、加えて角変位の方向を示
す。したがって、絶対位置は、対応する角セクタの位置
を示す、読取られた最後のデジタルコードセグメント内
のデジタルワードをまず識別することにより与えられ
る。トラック１１０内のアナログマークをカウントする
ことで、セクタのスタートに関連する増分距離が決定さ
れて、エンコーダの絶対位置が推定される。たとえば、
各セクタ内で１０個のアナログマークが使用されたとす
ると、デジタルトラックと単一のアナログトラックのこ
の組合わせで１００００分の１の精度がもたらされると
考えられる。
【００２７】上記のとおり、４つのアナログトラック１
１０−１１６が好ましい実施例においては設けられる。
図２の拡大図に示される第２のアナログトラック１１２
は、マーク１４４等の第２の一連のマークを含み、これ
らはトラックのまわりに均等に間隔決めされる。第２の
一連におけるマークの数は第１の一連におけるものに等
しい。さらに、第２の一連におけるマークは第１の一連
のマークの間隔の８分の１に等しい角量だけ第１の一連
における対応するマークに対して円周方向に変位されて
いる。同様に、第３および第４のアナログトラック１１
４および１１６が第３および第４の一連のマークを含
み、その各々がまた第１の一連と同じ数のマークを含
む。第３の一連のマークはしかしながら第１の一連にお
けるマークの間隔の４分の１に等しい角量だけ第１の一
連における対応のマークに対して円周方向に変位されて
おり、かつ第４の一連におけるマークは第１の一連にお
けるマークの間隔の８分の３に等しい角量だけ第１の一
連における対応するマークに対して円周方向に変位され
ている。図３は図１に示される光学エンコーダディスク
の５トラックの実施例における４つのアナログトラック
１１０、１１２、１１４および１１６におけるマークの
相対位置を示す模式図であり、マーク１４２、１４４、
１４３、および１４５はそれぞれトラック１１０、１１
２、１１４、および１１６に関して描かれている。
【００２８】第１のデジタルトラックのある特定の実施
例には、ディスクの絶対位置と回転方向とを示す基数５
のナンバリングシステムを使用するものが含まれる。例
示的な基数５コード化構成の初めの２０と最後の２０セ
クタについての開始記号とコード化された番号が図４に
模式的に示される。これを達成するための技術は、２つ
または３つ以上のデータのトラック、すなわち１つのデ
ジタルトラックと１つまたは２つ以上のアナログトラッ
クを必要とし、Ｎトラックが基数Ｎナンバーシステムの
使用を暗示する。絶対位置データはいずれかの回転方向
に関して読取可能でなければならず、かつ各セクタ内の
デジタルトラック上に記録されたデジタル情報の開始点
をはっきりと決定するために独自の「開始記号」を含ん
でいる必要がある。
【００２９】全部で５つのトラックが採用されると、１
０００の独自の数字（１）がディスク上の同じ数のセク
タ上にコード化される。この独自の数字は最終的には基
数２に変換され、１０００の数字の間で違いを付けるた
めに１０のビットが必要となる。「開始記号」はその位
置をはっきりと決定するために各数字の初めに必要とさ
れる。開始記号は送りまたは戻しのいずれかの読取を行
なう際に独自のものであり、かつ実施例においては１回
転の１／１０００ごとに置かれる必要がある。ＣＤ技術
の使用によりある制約が課される。１／４波長ピットが
位相を外れたスポットサイズの半分を反射して、光学的
に０にするために使用されるので、すべてのマークは同
じ幅を有している必要があるが、マークの間隔は変化し
得る。さらに、大きさの制約によりデジタルトラック内
の各セクタ内に置かれ得るマークの数が制限されて、厳
密な２進コード化構成は不可能かもしれない。結果的
に、データをより効率的にパックしかつ復号化電子工学
装置を簡素化するために、５進法が使用される。記号
「０」はマークがないことにより表わし、記号「１」は
第１のアナログトラックのマークと整合するマーク（図
４において、桁の欄内の左端の位置に斜線を引いた長方
形で示される）、「２」は第２のアナログトラック内の
マークと整合するマークにより表わされ（図４において
「１」記号の位置に対して桁の欄内で右に１つ位置がず
れた長方形）、「３」は第３のアナログトラック内のマ
ークと整合するマーク（図４において「１」の記号の位
置に対して桁の欄内で右に位置が２つずれた長方形）、
および「４」は第４のアナログトラック内のマークと整
合するマークにより表わされる（図４において、「１」
の記号の位置に対して桁の欄内で右に位置が３つずれた
長方形）。
【００３０】シーケンス「１１」（図４において左の２
つの斜線を引いた長方形のマークにより各セクタの行に
おいて示される）が開始記号として指定される。各セク
タにおける残りの基数５のマークのうち７つが１０００
の独自の数をコード化するために使用される。しかしな
がら、ＣＤ技術により２つのマークが最小間隔よりも接
近することができないという新たな制約が加えられる。
この制約により、たとえば「１」が後に続く「５」が妨
げられる（マーク間の間隔はエンコーダの中心から半径
方向に遠く位置するにつれて増えるので、各マークに関
して選択される長さおよび採用されるトラックの数に応
じて、この制限にはいくらかの柔軟性が存在する）。さ
らに、開始記号「１１」は開始記号との混乱を避けるた
めにいかなる数においても発生しないかもしれない。集
合［１、２、３、４］におけるいずれについても、０を
除くより小さい数字が次に続いてはならないとする保存
の制約があるとすれば、７桁の基数５で表わされ得る残
りの数は１９５４存在する。これを実行する上で、当業
者には容易に理解されるとおり、加算器とＥＰＲＯＭの
組を使用して５進数を２進（基数２）に変換することが
できる。
【００３１】このコード化構成の特定の実施例のための
数の集合は、図３に最初の２０と最後の２０セクタのた
めのコード化により示されるとおり、上記の要件および
制限を利用して当業者により容易に求められ得る。
【００３２】第２のアナログトラックから入手可能な情
報をデジタルトラックと第１のアナログトラックからの
ものと組合わせると、実施例において達成可能な分解能
は２００００分の１へと倍になる。その上、２つのアナ
ログトラックにおける１４２の連続と１４４の連続とは
９０°位相がずれているので、分解能をさらに４０００
０分の１にまで増大するために、直角補間（quadrature
interpolation）が利用され得る。この直角補間に必要
なのは精度に関する４つの追加のビットだけでありかつ
したがって通常のマイクロプロセッサまたは論理回路を
使用して簡単に実現される。
【００３３】第３および第４のアナログトラック１１４
と１１６とを加えると、マークはアナログの連続におけ
る各４５°の位相変化に関して与えられる。これは角セ
クタ当り４０のアナログマークを与えるに等しい（セク
タごとのアナログトラックごとに１０のマークを有する
実施例において）。４つのアナログトラック１１０−１
１６を使用することによりもたらされる追加情報を有す
るこの生の分解能は４００００分の１まで増大する。こ
こで再び、この生情報のデジタル補間を行なって、４の
係数を乗算したものを算出し、１６００００分の１とい
う実施例における精度がもたらされる。
【００３４】トラックの各々、すなわちデジタルトラッ
ク１０４と４つのアナログトラック１１０−１１６の各
々は光学アドレス動作のためのチャネルを必要とする。
本質的に４つのアナログトラックに付随する光チャネル
は最終精度の数値に関しては４つの追加のビットを必要
とするのみである。したがってコード化は回転ごとに１
０００の絶対デジタル分解能に関しては、１つのトラッ
ク、すなわちデジタルトラック１０４で行なう一方、１
つ、２つ、または４つのアナログトラックが最後のセク
タ位置に関連する増分位置情報を提供し、かつアナログ
トラックの４ビットデジタル補間によって最終分解能が
もたらされる。
【００３５】エンコーダがしばしば動作する必要がある
産業的環境においては、処理しなければならないいくつ
かの実際的な問題が存在する。典型的には、エンコーダ
ディスクが装着される回転部材が単一の平面内で一貫し
て回転するわけではないという問題がある。平面回転か
らのずれは「よろめき」（wobble）として知られてお
り、これが一貫したかつ正確なエンコーダディスクの読
取能力を阻害する。よろめきは様々な理由たとえばエン
コーダディスクを駆動する装置内の温度変化またはエン
コーダディスクと、その角位置が測定される装置との間
の取付部分が傷んだ等の理由により発生し得る。さら
に、測定対象の装置に温度上昇が存在すると、一般的に
入手可能なエンコーダに付随する電子工学部品は熱で劣
化する可能性がある。金属回転軸がエンコーダ装置へ角
変位を伝送するために使用される場合には、この金属シ
ャフトが熱の効率的な導体となるので、熱による損傷は
特に可能性が高い。
【００３６】本願発明の装置および方法に従い、よろめ
きおよび熱感受性から生じるこれらの制限については改
善されるかまたはコード化機能からなくされ得る。図５
は図１および２のエンコーダディスクを使用するエンコ
ーダアセンブリの断面図である。この図においては、第
１および第２の環状低摩擦コーティング１４６と１４８
とがエンコーダ１０２の表面上に塗布されている。ハウ
ジング１５０はエンコーダを収めかつよろめきや熱的に
厳しい動作環境においても角変位の正確な測定をするの
に必要な他の構造を提供する。このハウジング１５０は
エンコーダ軸１５０をその内部に回転自在に受入れるた
めのアパチャを一端に含む。エンコーダ軸は、エンコー
ダ軸とエンコーダディスクがともに回転するようエンコ
ーダディスク１０２に取付けられる。
【００３７】エンコーダディスク１０２に対向するのは
読取ヘッドディスク１５４である。読取ヘッドディスク
１５４は、好ましくはフッ化炭素素材から製作されるか
またはテフロン（登録商標）等のフッ化炭素コーティン
グでコーティングされた１対のスキッド１５６および１
５８を保持する。スキッド１５６は低摩擦コーティング
１４６に均等に対向し、かつスキッド１５８は低摩擦コ
ーティング１４８に均等に対向する。読取ヘッドディス
ク１５４は軸１６０により固定される。カバー１６２は
ハウジング１５０にしっかりと取付けられかつサービス
およびメンテナンスを行なうためにハウジングから取外
し可能である。カバー１６２の内部は軸１６０のための
付加的な支持を与える働きをする充填材１６４を部分的
に詰められる。軸１６０はカバー１６２と読取ヘッドデ
ィスク１５４とにしっかりと接続されて読取ヘッドディ
スクの回転を防ぐ。
【００３８】圧縮ばね１６６は充填材１６４と読取ヘッ
ドディスク１５４との間の軸１６０を取囲んで読取ヘッ
ドディスクをエンコーダディスク１０２の方へ付勢す
る。読取ヘッドディスクをこのようにバイアスすること
でスキッド１５６と１５８とがエンコーダディスク上で
低摩擦コーティング１４６と１４８との直接摺動接触状
態にもたらされる。代替的には、読取ヘッドは設計を簡
単にするためエンコーダディスクの後側に装着され得
る。加えて、デジタルおよびアナログトラックにおける
マークの形は、その設計のエンコーダディスクの平面内
のよろめきに対する感受性を最小にするように選択され
得る。
【００３９】一連の第１のコリメート伝達光学素子１６
８、１７０、１７２、１７４、および１７６は読取ヘッ
ドディスク１５４内に置かれる。これらの素子は適当な
焦点光学素子を有する光ファイバのアレイかまたは一連
の階調度インデックス（ＧＲＩＮ）レンズロッドであ
る。第１のコリメート伝達光学素子の各々はエンコーダ
ディスク１０２の単一のトラック上に位置決めされる。
カバー１６２内でかつ第１のコリメート伝達光学素子に
対向するのは充填材１６４内に装着された一連の第２の
コリメート伝達光学素子１７８、１８０、１８２、１８
４、および１８６である。第２のコリメート伝達光学素
子の各々は第１のコリメート伝達光学素子の対応するも
のと整合される。一連の５つの光ファイバ１８８、１９
０、１９２、１９４、および１９６は遠隔地点から回転
エンコーダアセンブリに対して延び、第２のコリメート
伝達光学素子の対応するものに接続する。この態様で、
単一の光学チャネルまたは接続が光ファイバ１８８−１
９６の組における各ファイバかつひいてはエンコーダデ
ィスク１０２の５つのトラックつまりデジタルトラック
１０４と４つのアナログトラック１１０、１１２、１１
４、および１１６の各々とに作られる。エンコーダディ
スクの表面付近に位置決めされる不透明のマスク２３４
を設けるこが望ましい。このマスクは開口を含んで、デ
ジタルトラックおよびアナログトラックの正確な領域を
照らすことを可能にし、それにより暗いビットの読取り
におけるより効果的な干渉効果が確保される。
【００４０】読取ヘッドディスク１５４と充填材１６４
との間の隙間の組合わせに留意されたい。回転エンコー
ダアセンブリ１５０の機械的構成により、エンコーダデ
ィスクがよろめいた場合に、読取ヘッドディスクがエン
コーダディスクに追随することが可能となる。その同心
円の中心付近で読取ヘッドディスクが受ける制限された
支持によってこのようなよろめく力が次の動作に効果的
に伝達される。当業者が評価するであろうとおり、光学
素子１７８−１８６のフィールドの深さは十分に長く、
読取ヘッドディスク１５４とその付随するコリメート光
学素子１６８−１７６は不要となる。その上、光ファイ
バ１８８−１９６がエンコーダディスク１０２のすぐ近
くに保持され得る場合には、焦点光学素子は不要とな
る。しかしながら、後者を実施するためには精密整合を
必要とする。この整合は、たとえば化学的または機械的
線引きまたは加工により達成され得るシリコンまたは他
の基板内のエッチングされた溝によって提供され得る。
【００４１】さてここで図６を参照して、本願発明のハ
イブリッドデジタルアナログシステムの模式図が図５の
回転エンコーダアセンブリを組込んで示される。図５に
示される光ファイバ１８８−１９６の組は回転エンコー
ダアセンブリ１５０から一連の光ファイバカプラ１９
８、２００、２０２、２０４、および２０６まで延び
る。これらの光ファイバカプラは典型的には光が第１の
ポート内に導入されて第２のポートから伝達されること
を可能とする３つのポート装置である。第２のポートへ
戻る光は再び第３のポートに向けられる。この態様で、
レーザまたは他の光源が第１のポートで導入されて第２
のポートを介して遠隔位置にルート決めされ得る。第２
のポートに戻る光は光源に向けられるのではなく第３の
ポートに向けられて、光源からの干渉を伴わずに、戻る
光の測定および検出をより可能とする。
【００４２】こうして、光ファイバカプラの第１のポー
トがレーザ２０８という形態の光源に接続される。ファ
ニング（fanning ）または分散カプラ２１０が、レーザ
からの光を光ファイバカプラ１９８−２０６の第１のポ
ートの各々に結合するために使用される。この態様で、
単一のレーザが、まるで５つの別個のレーザがあるよう
な態様で光を供給するべく構成される。当業者において
は、レーザ２０８への帰還および結果として生じる信号
レベルの不安定性を防止するために光学アイソレータが
必要とされ得ることが理解されるであろう。発光ダイオ
ードまたは他の非コヒーレントな光源であればアイソレ
ータは必要ないと考えられる。
【００４３】光ファイバカプラの第３のポートは各々一
連の光ファイバ２２２、２２４、２２６、２２８、およ
び２３０により一連の感光検出器２１２、２１４、２１
６、２１８、および２２０に個別に接続される。検出器
は光ファイバカプラの第２のポートからの光学信号を電
気信号に変換する。信号処理およびデコード装置２３２
が検出器２１２−２２０に電気的に接続される。信号処
理およびデコード装置は典型的には検出器から受取った
デジタル信号を読取り、翻訳しかつ出力するようにプロ
グラムされたコンピュータ、マイクロプロセッサまたは
デジタル論理である。光ファイバカプラ１９８−２０６
の第２のポートは回転エンコーダアセンブリ１５０へ光
を伝達しかつこのアセンブリからのデジタル信号を受け
る双方の目的で光ファイバ１８８−１９６に接続され
る。
【００４４】光学結合もまた３ポート光ファイバカプラ
をなくしかつレーザ光が別個の照明ファイバを介してエ
ンコーダアセンブリに伝達される代替的構成でも達成さ
れ得る。ディスクから反射された光は各トラックのため
の検出器に直接的に接続された集光ファイバの組により
この構成において集光されたものである。適用およびフ
ァイバの所望の長さに依存して、この方法は光ファイバ
カプラをなくすことでより低コストのオプションを提供
し得る。
【００４５】図４および５を参照して、本願発明の高分
解能光学ハイブリッドデジタル−アナログ位置エンコー
ダの動作は以下のとおりである。レーザ２０８からの光
が光ファイバカプラ１９８−２０６内に向けられる。こ
の光は光ファイバ１８８−１９６に沿って光学カプラの
第２のポートから伝搬しかつ光が伝搬している断面積が
幾分拡大される、第２のコリメート伝達光学素子１７８
−１８６内に至る。この断面積の拡大により伝達が容易
となりかつ光が第１のコリメート伝達光学素子１６８−
１７８および第２のコリメート伝達光学素子１７８−１
８６の間を伝搬する際の光の損失が低減される。この空
隙における光の拡大された断面積は、読取ヘッドディス
クの変位による第１および第２のコリメート伝達光学素
子間の不整合による光の損失を低減する。光ファイバ１
８８−１９６はピットおよび周辺表面からの光の反射に
より引起こされる干渉効果を防止する単一モードのファ
イバであることが望ましい。マルチモードファイバの場
合にはバッファ全長にわたって干渉信号をスクランブル
しかつ劣化させることになる。
【００４６】光は空隙を横切って伝搬し第１のコリメー
ト伝達光学素子１６８−１７６に至り、そこからエンコ
ーダディスク上のそれに関連する特定のトラック上に焦
点を合せるように位置決めされる。結果的には、第１の
コリメート伝達光学素子はエンコーダディスクに対し効
率的に光を当てかつ反射光を集光するためにエンコーダ
ディスクに面する側に焦点光学素子を含む。第２のコリ
メート伝達光学素子は光ファイバ１８８−１９６の組の
数々のアパチャに合うように設計される。第１のコリメ
ート伝達光学素子１６８−１７６は下向きの入力ビーム
をエンコーダディスク上に焦点を合せかつエンコーダデ
ィスクの表面から反射するビームをとらえるように作用
する。エンコーダディスク上の焦点サイズは、読取ヘッ
ドディスクに対するエンコーダの位置における変動の許
容値およびよろめきから生じる円形の変位による横方向
の許容値を考慮して選択される必要がある。
【００４７】焦点機能はまた、エンコーダディスクに対
して光の焦点を合せかつ反射信号を集めるために、ミニ
チュアバイナリ光学レンズにより、ロッドの端部を「レ
ンズにする」（lensing ）ことにより、または正しいピ
ッチのグラジエントインデックス（ＧＲＩＮ）レンズを
使用することによっても達成され得る。後者の方策は、
エンコーダから反射される光を集光することに関しての
整合の許容誤差がより広くかつ読取ヘッドディスクと第
１のコリメート伝達光学素子内のこのようなＧＲＩＮレ
ンズとの間の予測されるコリメートされたビームの連通
を提供する。
【００４８】角変位検出の間、エンコーダ軸１５２はこ
れが接続された機械とともに回転し、エンコーダディス
ク１０２をも回転させる。エンコーダディスクからの反
射はエンコーダディスク上の暗いビット、明るいビッ
ト、およびアナログマークに関しては上記のような態様
で起こる。読取ヘッドディスク１５４がエンコーダディ
スクと摺動可能に係合するので、エンコーダディスクが
よろめくと読取ヘッドディスクの調和したよろめきが生
じることになる。調和したよろめきが生じても、読取ヘ
ッドディスクのエンコーダディスクに対する密着性によ
りエンコーダディスクと第１のコリメート伝達光学素子
１６８−１７６との間の空隙の均一性が確保される。こ
の空隙の均一性により、第１のコリメード伝達光学素子
がエンコーダディスクの各々のトラックに対する焦点を
維持することが確実となる。
【００４９】エンコーダディスクの表面上のトラックの
各々から反射された光は第１のコリメータ伝達光学素子
の付随する素子内に伝達されて入りそれから第２のコリ
メート伝達光学素子１７８−１８６に至る。第２のコリ
メート伝達光学素子からの光は光ファイバ１８８−１９
６に対しインピーダンス整合がなされている。ここで
も、情報の各トラックが関連する単一の光ファイバ内に
導かれるので、各トラックからの情報は他のトラックの
情報から分けられて保持される。光ファイバを介して伝
搬する光はカプラ１９８−２０６の第２のポートから第
３のポートへルート決めされかつ検出器２１２−２２０
に至り、そこで光学信号がデジタル電気信号に変換され
る。デジタル電気信号はそれから信号処理およびデコー
ド装置２３２内へ向けられさらなる処理が行なわれる。
この信号処理およびデコード装置は特別に高速装置であ
る必要はない。たとえば、１分間に２５００回転の最大
回転スピードまたは１秒間に４２回転と仮定すると、最
小ナイキスト速度でアナログトラック１１０−１１６を
読取るのに必要な最小ビットサンプリング速度は、以下
のとおりになると考えられる。
【００５０】
【数２】
【００５１】このデータ速度は商業的に入手可能な計算
システムに関しては大変保守的なクロック速度を表わ
す。各角セクタ全体を通してビットを均一に分配するの
ではなく、デジタルコードセグメントの一部にデジタル
トラック１０４のビットをパックすることで空間的にワ
ードが分離され、約１ＭＨｚのオーダまで必要な読取速
度をわずかに増大させると考えられる。
【００５２】なお、個々の光ファイバ１８８−１９６お
よび個々の光ファイバカプラ１９８−２０６は、一連の
波長分割多重カプラとともに使用される単一のバッファ
で代替し得る点を理解されたい。波長分割多重カプラの
使用には、エンコーダディスクの各トラックが別個の波
長で動作することが要件になると考えられる。これは設
計を幾分複雑なものにするが、多重の光ファイバに代え
て単一の光ファイバの使用を容易にすると考えられる。
【００５３】この発明の好ましい実施例について図示し
かつ上に説明した。しかしながら修正および追加の実施
例が当業者には明らかであろう。たとえば材質、配向、
製造方法、ならびに他の特徴および設計のパラメータの
変更は特許請求の範囲にある発明の精神および範囲内に
包含されるものと考えられる。さらに、図示されかつ明
細書中に記載されたものと等価の素子が代わりに使用さ
れることが可能で、部品または接続関係を逆にするかさ
もなくば入替えられるかもしれず、かつ発明のある特徴
について他の特徴とは独立して使用され得る。たとえば
デジタルトラックコード化技術を異なる数のアナログト
ラックが採用される場合に適用することも可能である。
特に関心があるのは、方法をわずかに修正する２つのト
ラックの場合と、従来技術の直角データ（quadrature d
ata ）が同時に実現され得る３つのトラックのものであ
る。トラックの数を最小限にすることでコストの節約が
可能となる一方性能はトラックの数を増やすことで改善
される。３つのトラックで実施した場合には、２つの内
側のトラックが標準的な９０°を有する従来技術のもの
となる。このような実施例における外側のトラックは上
記の５つのトラックの場合と同じように３進法を使用し
得るが、この場合パッキング密度は２進またはグレーコ
ード構成で達成され得るものよりも高くなる。２つのト
ラックを使用することは、かなりのコスト低減を示す。
この場合には、コード化構成は基数２まで低減されかつ
開始記号はない。しかしながらこの実施例では方向を決
定するのに利用可能な求積法は存在しない。この構成を
わずかに変更すると十分な性能が得られる。開始記号は
増分トラックと同位相のトラックとしてコード化され得
る。他のすべてのビットは増分トラックに対して９０°
の移相でコード化され得る。この設計によりエンコーダ
ディスクが回転している方向が開始記号を除くどの桁に
対しても決定可能となるが、２つのビットだけがデータ
トラック内に失われる。実施例は包括的なものではなく
例示的なものとしてとらえ、先行の特許請求の範囲が発
明の完全な範囲をより示すものである点を理解された
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従い構成される光学エンコーダディ
スクの平面図である。
【図２】ディスクの表面上のデジタルおよびアナログト
ラックのフォーマットを示す、図１のエンコーダディス
クの一部を示す拡大図である。
【図３】図１に示される光学エンコーダディスクの５ト
ラックの実施例における４つのアナログトラックの相対
位置を示す模式図である。
【図４】基数５コード化構成の最初の２０と最後の２０
セクタのための開始記号とコード化された番号を示す図
である。
【図５】図１および図２に示されるエンコーダディスク
を収めるエンコーダアセンブリの断面図である。
【図６】図５のエンコーダアセンブリを実施する本願発
明のエンコーダシステムの模式図である。
【符号の説明】
１０２…ディスク １０４…デジタルトラック １０６…回転軸 １１０…アナログトラック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェフリー・エス・ショーエンワルド アメリカ合衆国、91360 カリフォルニア 州、サウザンド・オークス、オーク・シャ ドウ・ビュウ・プレイス、693 (72)発明者 ジョナサン・ピィ・ロード アメリカ合衆国、91361 カリフォルニア 州、ウェストレイク・ビレッジ、リッジフ ォード・ドライブ、3420 (72)発明者 レイモンド・ジェイ・ディ・スミス アメリカ合衆国、91320 カリフォルニア 州、ニューベリー・パーク、ウィンフィー ルド、972 (72)発明者 ブルース・ジィ・コロフ アメリカ合衆国、07461 ニュー・ジャー ジー州、サセックス、ポンド・スクール・ ロード、56 (72)発明者 スティーブ・ベックー アメリカ合衆国、93035 カリフォルニア 州、オックスナード、カフエンガ・ドライ ブ、240

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 角位置を検出するための光学エンコーダ
    であって、 主表面と主表面に対し直角をなす回転軸とを有する回転
    可能光学媒体を含み、複数の均等に大きさ決めされた角
    セクタが表面上に規定され、 軸と同心の表面上に規定される環状デジタルトラック
    と、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に形
    成されるデジタルビットを含み、各ビットが２進の１ま
    たは２進の０として光学的に読取可能であり、かつ各複
    数のビットが２進のワードを規定し、 軸と同心の表面上に規定された第１の環状アナログトラ
    ックと、 表面上に形成されかつ第１のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔決めされた第１の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを含み、 それによりセクタ内の２進ワードが光学的に読取られて
    そのセクタの角位置を示し、かつそれにより媒体のおよ
    その角位置を示し、かつそれにより第１の一連のアナロ
    グマークが光学的に検出されておよその角位置表示を細
    かくしかつそれにより媒体のより正確な角位置を示すこ
    とが可能な、光学エンコーダ。
  2. 【請求項２】 環状デジタルトラックが、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつすべて
    のセクタ内に共通の値を有してセクタの始まりを示す２
    進開始記号と、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつそれが
    記録されるセクタを識別する独自の値を有する２進セク
    タワードとをさらに含む、請求項１に記載の光学エンコ
    ーダ。
  3. 【請求項３】 軸と同心の表面上に規定された第２の環
    状アナログトラックと、 表面上に形成されかつ第２のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔をあけられた第２の一連の光学的に検出可
    能なアナログマークを含み、この第２の一連のマークの
    数は第１の一連のマークの数に等しくかつかつ第２の一
    連のマークの各々は第１の一連のマークの対応するもの
    に対して第１の一連のマークの間隔の８分の１に等しい
    角量だけ円周方向に変位されており、 それにより第２の一連のマークが光学的に検出されて第
    ２の一連のマークとの関連においておよその角位置の表
    示を細かくする、請求項１に記載の光学エンコーダ。
  4. 【請求項４】 環状デジタルトラックが、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつすべて
    のセクタ内に共通の値を有してセクタの開始を示す２進
    開始記号と、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されてそれが記
    録されるセクタを識別する独自の値を有する基数３セク
    タワードを含み、セクタワードの各２進の数が第１のア
    ナログトラックのマークまたは第２のアナログトラック
    のマークの半径方向の整合により基数３でコード化され
    る、請求項３に記載の光学エンコーダ。
  5. 【請求項５】 軸と同心の表面上に規定される第３の環
    状アナログトラックと、 表面上に形成されかつ第３のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔決めされた第３の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを含み、第３の一連のマークの数は第
    １の一連のマークの数と等しく、かつ第３の一連のマー
    クの各々は第１の一連のマークの間隔の４分の１に等し
    い角量だけ第１の一連のマークの対応するものに対して
    円周方向に変位されており、 軸に同心の表面上に規定される第４の環状アナログトラ
    ックと、 表面上に形成されかつ第４のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔をあけられる第４の一連の光学的に検出可
    能なアナログマークを含み、第４の一連のマークの数は
    第１の一連のマークの数に等しく、かつ第４の一連のマ
    ークの各々が第１の一連のマークの間隔の８分の３に等
    しい角量だけ、第１の一連のマークの対応するものに対
    して円周方向に変位されており、 それにより第３および第４の一連のマークが光学的に読
    取られて、第１および第２の一連のマークと関連してお
    よその角位置表示を細かくできる、請求項３に記載の光
    学エンコーダ。
  6. 【請求項６】 環状デジタルトラックが、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつすべて
    のセクタ内に共通の値を有してセクタの開始を表示する
    ２進開始記号と、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつそれが
    記録されているセクタを識別する独自の値を有する基数
    ５セクタワードを含み、セクタワードの各２進の数が、
    第１のアナログトラックのマーク、第２のアナログトラ
    ックのマーク、第３のアナログトラックのマーク、また
    は第４のアナログトラックのマークとのその半径方向の
    整合により基数５でコード化され得る、請求項５に記載
    の光学エンコーダ。
  7. 【請求項７】 軸からの半径に沿った表面を照らすため
    の光源を含み、照らされた半径が媒体の回転に対して固
    定され、 デジタルトラック内のビットから反射された明りの部分
    を検出するためのデジタルトラック検出器と、 第１のアナログトラック内のマークから反射された明り
    の部分を検出するための第１のアナログトラック検出器
    と、 デジタルトラック検出器の出力を２進のワードに変換し
    かつ第１のアナログトラック検出器の出力から媒体の正
    確な角位置を補間するための信号処理およびデコード手
    段とをさらに含む、請求項１に記載の光学エンコーダ。
  8. 【請求項８】 光源と光学媒体との間でかつ媒体の表面
    近くに位置決めされる不透明のマスクと、 デジタルトラックの正確な領域を照らすことを可能にす
    るためのマスクにおけるデジタルトラック開口と、 第１のアナログトラックの正確な領域を照らすことを可
    能にするためのマスク内の第１のアナログトラック開口
    とをさらに含む、請求項７に記載の光学エンコーダ。
  9. 【請求項９】 光学媒体を摺動可能に係合する非回転読
    取ヘッドと、 読取ヘッドに取付けられてデジタルトラックへ光源から
    の光を伝達しかつデジタルトラックからの反射光をデジ
    タルトラック検出器に伝達するためのデジタルトラック
    光学コリメータと、 光源と、デジタルトラック光学コリメータと、デジタル
    トラック検出器との間に接続されるデジタルトラック光
    学カプラと、 デジタルトラック光学カプラをデジタルトラック光学コ
    リメータに結合するデジタルトラック光ファイバと、 読取ヘッドに取付けられて光源からの光を第１のアナロ
    グトラックに伝達しかつ第１のアナログトラックからの
    反射光を第１のアナログトラック検出器に伝達するため
    の第１のアナログトラック光学コリメータと、 光源と、第１のアナログトラック光学コリメータと、第
    １のアナログトラック検出器との間に接続される第１の
    アナログトラック光学カプラと、 第１のアナログトラック光学カプラを第１のアナログト
    ラック光学コリメータに結合する第１のアナログトラッ
    ク光ファイバとを含む、請求項７に記載の光学エンコー
    ダ。
  10. 【請求項１０】 角位置を検出するための光学エンコー
    ダであって、 主表面と、主表面に対し直角をなす回転軸とを有する回
    転可能光学媒体を含み、複数の均等に大きさ決めされた
    角セクタが表面上に規定され、 軸と同心の表面上に規定された環状デジタルトラック
    と、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に形
    成された複数のデジタルビットを含み、各ビットが２進
    の１または２進の０として光学的に読取可能でありかつ
    各複数のビットが２進ワードを規定し、 軸と同心の表面上に規定された第１の環状アナログトラ
    ックと、 表面上に形成されかつ第１のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔決めされた第１の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークと、 軸と同心の表面上に規定される第２の環状アナログトラ
    ックと、 表面上に形成されかつ第２のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔決めされた第２の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを含み、第２の一連のマークの数が第
    １の一連のマークの数と等しく、かつ第２の一連のマー
    クの各々が第１の一連のマークの間隔の８分の１に等し
    い角量だけ第１の一連のマークの対応するものに対して
    円周方向に変位されており、 軸と同心の表面上に規定される第３の環状アナログトラ
    ックと、 表面上に形成されかつ第３のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔決めされた第３の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを含み、第３の一連のマークの数は第
    １の一連のマークの数と等しく、かつ第３の一連のマー
    クの各々が第１の一連のマークの間隔決めの４分の１に
    等しい角量だけ第１の一連のマークの対応するものに対
    して円周方向に変位されており、 軸と同心の表面上に規定された第４の環状アナログトラ
    ックと、 表面上に形成されかつ第４のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔決めされた第４の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを含み、第４の一連のマークの数は第
    １の一連のマークの数と等しくかつ第４の一連のマーク
    の各々が第１の一連のマークの間隔の８分の３に等しい
    角量だけ第１の一連のマークの対応するものに対して円
    周方向に変位されており、 それによりセクタ内の２進ワードが光学的に読取られて
    そのセクタの角位置を示しかつしたがって、媒体のおよ
    その角位置を示し、 それにより第１、第２、第３、および第４の一連のマー
    クが光学的に検出されておよその角位置の表示をさらに
    細かくしかつそれにより媒体のより正確な角位置を示
    す、光学エンコーダ。
  11. 【請求項１１】 環状デジタルトラックが、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつすべて
    のセクタ内に共通の値を有してセクタの始まりを示す２
    進開始記号と、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつそれが
    記録されているセクタを示す独自の値を有する基数５の
    セクタワードを含み、セクタワードの各２進の数字が第
    １のアナログトラックのマーク、第２のアナログトラッ
    クのマーク、第３のアナログトラックのマーク、または
    第４のアナログトラックのマークとの半径方向の整合に
    より基数５でコード化される、請求項１０に記載の光学
    エンコーダ。
  12. 【請求項１２】 角位置を検出するための光学エンコー
    ダであって、 主表面と、主表面に対して直角をなす回転軸とを有する
    回転可能光学媒体を含み、複数の均一に大きさ決めされ
    た角セクタが表面上に規定されており、 軸と同心の表面上に規定された環状デジタルトラック
    と、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に形
    成される複数のデジタルビットを含み、各ビットが２進
    の１または２進の０として光学的に読取可能でありかつ
    複数のビットの各々が２進ワードを規定し、 軸と同心の表面上に規定されたＮ−１環状アナログトラ
    ックを含み、ただしＮが２以上の整数であり、 表面上に形成されたＮ−１連の光学的に検出可能なアナ
    ログマークを含み、各連続におけるマークが対応するア
    ナログトラックのまわりに均等に間隔決めされ、各連続
    におけるマークの数は他の一連のマークの対応するもの
    と等しくかつこれに対して円周方向に変位されており、
    それによりＮ−１一連のマークが媒体の等しく間隔をあ
    けられた独自の円周位置を占め、 それによりセクタ内の２進ワードが光学的に読取られて
    そのセクタの角位置を示し、かつそれにより媒体のおよ
    その角位置を示すことが可能で、かつそれによりＮ−１
    一連のマークが光学的に検出されてこのおよその角位置
    表示をより細かいものにしかつそれにより媒体のより正
    確な角位置を示す、光学エンコーダ。
  13. 【請求項１３】 環状デジタルトラックが、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつすべて
    のセクタ内で共通の値を有してセクタの始まりを示す２
    進開始記号と、 各セクタ内のデジタルトラック上に記録されかつそれが
    記録されているセクタを識別する独自の値を有する基数
    Ｎのセクタワードを含み、セクタワードの各２進数がＮ
    −１連のうちのいずれかのマークとの半径方向の整合に
    従う基数Ｎでコード化される、請求項１２に記載の光学
    エンコーダ。
  14. 【請求項１４】 角位置を検出するための光学エンコー
    ダであって、 主表面と、主表面に対して直角をなす回転軸とを有する
    回転可能光学媒体を含み、複数の均等に大きさ決めされ
    た角セクタが表面上に規定されており、 軸と同心の表面上に規定された環状デジタルトラック
    と、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に形
    成される複数のデジタルビットを含み、各ビットが２進
    の１または２進の０として光学的に読取可能であり、か
    つ複数のビットの各々が２進ワードを定義し、 軸と同心の表面上に規定される第１の環状アナログトラ
    ックと、 表面上に形成されかつ第１のアナログトラックのまわり
    に均等に間隔決めされる第１の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークと、 軸からの半径に沿って表面を照らすための光源を含み、
    照らされた半径が媒体の回転に対して固定されており、 デジタルトラック内のビットから反射された明りの部分
    を検出するためのデジタルトラック検出器と、 第１のアナログトラック内のマークから反射された明り
    の部分を検出するための第１のアナログトラック検出器
    と、 デジタルトラック検出器の出力を２進のワードに変換し
    てセクタの角位置を示しかつそれにより媒体のおよその
    角位置を示しかつ第１のアナログトラック検出器の出力
    から媒体のより正確な角位置を補間するための信号処理
    およびデコード手段を含む、光学エンコーダ。
  15. 【請求項１５】 光源からの光を受けるためのデジタル
    トラック光学カプラと、 光源からの光を受けるための第１のアナログトラック光
    学カプラと、 デジタルトラック光学カプラと媒体の表面付近との間に
    接続されて半径内のデジタルトラックを照らすための入
    力デジタルトラック光ファイバと、 第１のアナログトラック光学カプラと媒体の表面付近と
    の間に接続されて半径内の第１のアナログトラックを照
    らすための第１の入力アナログトラック光ファイバと、 デジタルトラック光学カプラとデジタルトラック検出器
    との間に接続されデジタルトラックからの反射光をデジ
    タルトラック検出器に伝達するための出力デジタルトラ
    ック光ファイバと、 第１のアナログトラック光学カプラと第１のアナログト
    ラック検出器との間に接続され第１のアナログトラック
    からの反射光を第１のアナログトラック検出器に伝達す
    るための第１の出力アナログトラック光ファイバとをさ
    らに含む、請求項１４に記載の光学エンコーダ。
  16. 【請求項１６】 角位置を検出する方法であって、 主表面と、主表面に対し直角をなす回転軸とを有する回
    転可能光学媒体を設けるステップと、 表面上に複数の均一に大きさが決められた角セクタを規
    定するステップと、 軸と同心の表面上に環状のデジタルトラックを規定する
    ステップと、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に複
    数のデジタルビットを形成するステップを含み、各ビッ
    トが２進の１または２進の０として光学的に読取可能で
    あり、かつ各複数のビットが２進のワードを規定し、 軸と同心の表面上に第１の環状アナログトラックを規定
    するステップと、 表面上でかつ第１のアナログトラックのまわりに均等に
    間隔をあけられた第１の一連の光学的に検出可能なアナ
    ログマークを形成するステップと、 セクタ内の２進ワードを光学的に読取りそのセクタの角
    位置を識別し、かつそれによって媒体のおよその角位置
    を示すステップと、 第１の一連のマークを光学的に検出しておよその角位置
    表示をより細かくかつ媒体に関してより正確な角位置を
    示すステップとを含む、方法。
  17. 【請求項１７】 デジタルトラックに沿って順次表面上
    に複数のデジタルビットを形成するステップが、 各セクタ内のデジタルトラック上に２進開始記号を記録
    し、開始記号がすべてのセクタに共通の値を有してセク
    タの開始を示し、 各セクタ内のデジタルトラック上に２進セクタを記録す
    るステップとを含み、セクタワードが、それが記録され
    ているセクタを識別する独自の値を有する、請求項１６
    に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 軸と同心の表面上に第２の環状アナロ
    グトラックを規定するステップと、 表面上でかつ第２のアナログトラックのまわりに均等に
    間隔をあけられた第２の一連の光学的に検出可能なアナ
    ログマークを形成するステップを含み、第２の一連のマ
    ークの数は第１の一連のマークの数に等しく、かつ第２
    の一連のマークの各々は第１の一連のマークの対応する
    ものに対して、第１の一連のマークの間隔の８分の１に
    等しい角量だけ円周方向に変位されており、 第２の一連のアナログマークを光学的に検出して、第１
    の一連のアナログマークに関連しておよその角位置表示
    を細かくする、請求項１６に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 デジタルトラックに沿って順次表面上
    に複数のデジタルビットを形成するステップが、 各セクタ内のデジタルトラック上に２進開始記号を記録
    するステップを含み、開始記号がすべてのセクタに共通
    の値を有してセクタの開始を示し、 各セクタ内のデジタルトラック上に基数３の２進セクタ
    ワードを記録するステップを含み、セクタワードはそれ
    が記録されているセクタを識別する独自の値を有しかつ
    セクタワードの各２進の数字が第１のアナログトラック
    内のマークまたは第２のアナログトラック内のマークと
    の半径方向の整合により基数３でコード化される、請求
    項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 軸と同心の表面上に第３の環状アナロ
    グトラックを規定するステップと、 表面上でかつ第３のアナログトラックのまわりに均等に
    間隔をあけられた第３の一連の光学的に検出可能なアナ
    ログマークを形成するステップを含み、第３の一連のマ
    ークの数は第１の一連のマークの数に等しく、かつ第３
    の一連のマークの各々は第１の一連のマークの間隔の４
    分の１に等しい量だけ第１の一連のマークの対応するも
    のに対して円周方向に変位されており、 軸と同心の表面上に第４の環状アナログトラックを規定
    するステップと、 表面上でかつ第４のアナログトラックのまわりに均等に
    間隔をあけられた第４の一連の光学的に検出可能なアナ
    ログマークを形成するステップを含み、第４の一連のマ
    ークの数は第１の一連のマークの数に等しく、かつ第４
    の一連のマークの各々が第１の一連のマークの間隔の８
    分の３に等しい角量だけ第１の一連のマークの対応する
    ものに対して円周方向に変位されており、 第３および第４の一連のマークを光学的に読取って、第
    １および第２の一連のマークに関連しおよその角位置表
    示をより細かくするステップをさらに含む、請求項１８
    に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 デジタルトラックに沿って順次表面上
    に複数のデジタルビットを形成するステップが、 各セクタ内のデジタルトラック上に２進開始記号を記録
    し、開始記号がすべてのセクタに共通の値を有してセク
    タの開始を示し、 各セクタ内のデジタルトラック上に基数５の２進セクタ
    ワードを記録し、セクタワードがそれが記録されている
    セクタを識別する独自の値を有しかつセクタの各２進の
    数字が第１のアナログトラックのマーク、第２のアナロ
    グトラックのマーク、第３のアナログトラックのマー
    ク、または第４のアナログトラックのマークとの半径方
    向の整合により基数５でコード化される、請求項２０に
    記載の方法。
  22. 【請求項２２】 軸からの半径に沿って表面を照らすス
    テップを含み、照らされた半径が媒体の回転に対して固
    定され、 デジタルトラック内のビットから反射した明りの部分を
    検出するステップと、 第１のアナログトラック内のマークから反射した明りの
    部分を検出するステップと、 デジタルトラック検出器の出力を２進ワードに変換する
    ステップと、 第１のアナログトラック検出器の出力から媒体の正確な
    角位置を補間するステップとを含む、請求項１６に記載
    の方法。
  23. 【請求項２３】 光源と光学媒体との間でかつ媒体の表
    面に近く不透明のマスクを位置決めするステップと、 マスク内にデジタルトラック開口を設けてデジタルトラ
    ックの正確な領域を照らすステップと、 マスク内に第１のアナログトラック開口を設けて第１の
    アナログトラックの正確な領域を照らすステップとをさ
    らに含む、請求項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 光学媒体を摺動可能に係合する非回転
    読取ヘッドを設けるステップと、 光源からの光をデジタルトラックに伝達しかつデジタル
    トラックからの反射光をデジタルトラック検出器に伝達
    するためにデジタルトラック光学コリメータを読取ヘッ
    ドに取付けるステップと、 光源と、デジタルトラック光学コリメータと、デジタル
    トラック検出器との間にデジタルトラック光学カプラを
    接続するステップと、 デジタルトラック光ファイバでデジタルトラック光学カ
    プラをデジタルトラック光学コリメータに結合するステ
    ップと、 光源からの光を第１のアナログトラックに伝達しかつ第
    １のアナログトラックからの反射光を第１のアナログト
    ラック検出器に伝達するために第１のアナログトラック
    光学コリメータを読取ヘッドに取付けるステップと、 光源と、第１のアナログトラック光学コリメータと、第
    １のアナログトラック検出器との間に第１のアナログト
    ラック光学カプラを接続するステップと、 第１のアナログトラック光ファイバで第１のアナログト
    ラック光学カプラを第１のアナログトラック光学コリメ
    ータに結合するステップとをさらに含む、請求項２２に
    記載の方法。
  25. 【請求項２５】 角位置を検知する方法であって、 主表面と主表面に対し直角をなす回転軸とを有する回転
    可能光学媒体を設けるステップと、 表面上に均等に大きさ決めされた複数の角セクタを規定
    するステップと、 軸と同心の環状デジタルトラックを表面上に規定するス
    テップと、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に複
    数のデジタルビットを形成するステップを含み、各ビッ
    トが２進の１または２進の０として光学的に読取可能で
    あり、かつ各複数のビットが２進ワードを規定し、 軸と同心の第１の環状アナログトラックを表面上に規定
    するステップと、 表面上でかつ第１のアナログトラックのまわりに均等に
    間隔をあけられた第１の一連の光学的に検出可能なアナ
    ログマークを形成するステップと、 軸と同心の第２の環状アナログトラックを表面上に規定
    するステップと、 表面上であってかつ第１のアナログトラックのまわりに
    均等に間隔をあけられた第１の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを形成するステップと、 軸と同心の第２の環状アナログトラックを表面上に規定
    するステップと、 表面上であってかつ第２のアナログトラックのまわりに
    均等に間隔をあけられた第２の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを形成するステップを含み、第２の一
    連のマークの数は第１の一連のマークの数に等しく、か
    つ第２の一連のマークの各々が第１の一連のマークの間
    隔の８分の１に等しい角量だけ第１の一連のマークの対
    応するものに対して円周方向に変位されており、 軸と同心の第３の環状アナログトラックを表面上に規定
    するステップと、 表面上であってかつ第３のアナログトラックのまわりに
    均等に間隔をあけられた第３の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを形成するステップを含み、第３の一
    連のマークの数は第１の一連のマークの数に等しくかつ
    第３の一連のマークの各々は第１の一連のマークの間隔
    の４分の１に等しい角量だけ第１の一連のマークの対応
    するものに対して円周方向に変位されており、 軸と同心の第４の環状アナログトラックを表面上に規定
    するステップと、 表面上であってかつ第４のアナログトラックのまわりに
    均等に間隔をあけられた第４の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを形成するステップを含み、第４の一
    連のマークの数は第１の一連のマークの数に等しく、か
    つ第４の一連のマークの各々は第１の一連のマークの間
    隔の８分の３に等しい角量だけ第１の一連のマークの対
    応するものに対して円周方向に変位されており、 セクタ内の２進ワードを光学的に読取ってそのセクタの
    角位置を識別しかつそれにより媒体のおよその角位置を
    表示するステップと、 第１、第２、第３、および第４の一連のマークを光学的
    に検出しておよその角位置表示をより細かくしかつそれ
    により媒体に関するより正確な角位置を示す、方法。
  26. 【請求項２６】 デジタルトラックに沿って順次表面上
    に複数のデジタルビットを形成するステップが、 各セクタ内のデジタルトラック上に２進の開始記号を記
    録するステップを含み、開始記号がすべてセクタに共通
    の値を有してセクタの開始を示し、 各セクタ内のデジタルトラック上に基数５の２進セクタ
    ワードを記録するステップを含み、セクタワードがそれ
    が記録されているセクタを識別する独自の値を有しかつ
    セクタの各２進の数字が第１のアナログトラックのマー
    ク、第２のアナログトラックのマーク、第３のアナログ
    トラックのマーク、または第４のアナログトラックのマ
    ークとの半径方向の整合により基数５でコード化され
    る、請求項２５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 角位置を検知するための方法であっ
    て、 主表面と、主表面に対し直角をなす回転軸とを有する回
    転可能光学媒体を設けるステップと、 表面上に複数の均一に大きさを決められた角セクタを規
    定するステップと、 軸と同心の環状デジタルトラックを表面上に規定するス
    テップと、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に複
    数のデジタルビットを形成するステップを含み、各ビッ
    トが２進の１または２進の０として光学的に読取可能で
    あり、かつ複数のビットの各々が２進のワードを規定
    し、 軸と同心のＮ−１個の環状アナログトラックを表面上に
    規定するステップを含み、ここでＮは２以上の整数であ
    り、 表面上であってかつ対応するアナログトラックのまわり
    に均等に間隔をあけられたＮ−１一連の光学的に検出可
    能なアナログマークを形成し、各一連のマークの数は他
    の一連のマークの数と等しくかつ各一連のマークは他の
    一連のマークの対応するものに対して円周方向に変位さ
    れ、それによりＮ−１一連のマークが媒体の等しく間隔
    を開けられた独自の円周位置を占め、 セクタ内の２進ワードを光学的に読取りそのセクタの角
    位置を識別しかつそれにより媒体のおよその角位置を表
    示するステップと、 Ｎ−１一連のマークを光学的に検出しておよその角位置
    表示をより細かくしかつそれにより媒体に関するより正
    確な角位置を表示するステップとを含む、方法。
  28. 【請求項２８】 デジタルトラックに沿って順次表面上
    に複数のデジタルビットを形成するステップが、 各セクタ内のデジタルトラック上に２進開始記号を記録
    するステップを含み、開始記号がすべてのセクタに共通
    の値を有してセクタの開始を示し、 各セクタ内のデジタルトラック上に基数Ｎのセクタワー
    ドを記録し、セクタワードがそれが記録されているセク
    タを識別する独自の値を有しかつセクタの各二進の数字
    がＮ−１一連のうちの一連のマークとの半径方向の整合
    により基数Ｎでコード化される、請求項２７に記載の方
    法。
  29. 【請求項２９】 角位置を検知する方法であって、 主表面と、主表面に対し直角をなす回転軸とを有する回
    転可能光学媒体を設けるステップと、 表面上に複数の均一に大きさ決めされた角セクタを規定
    するステップと、 軸と同心の環状デジタルトラックを表面上に規定するス
    テップと、 各セクタ内のデジタルトラックに沿って順次表面上に複
    数のデジタルビットを形成するステップを含み、各ビッ
    トが２進の１または２進の０として光学的に読取可能で
    ありかつ複数のビットの各々が２進のワードを規定し、 軸と同心の第１の環状アナログトラックを表面上に規定
    するステップと、 表面上であってかつ第１のアナログトラックのまわりに
    均等に間隔を開けられた第１の一連の光学的に検出可能
    なアナログマークを形成するステップと、 軸からの半径に沿って表面を照らし、照らされた半径が
    媒体の回転に対して固定され、 デジタルトラック内のビットから反射された明りの部分
    を検出するステップと、 デジタルトラック検出器の出力を２進のワードに変換し
    てそのセクタの角位置を示しかつそれにより媒体のおよ
    その角位置を表示するステップと、 第１のアナログトラック内のマークから反射される明り
    の部分を検出するステップと、 第１のアナログトラック検出器の出力から媒体の正確な
    角位置を補間するステップとを含む、方法。
  30. 【請求項３０】 光源からの光を受けるためのデジタル
    トラック光学カプラを設けるステップと、 光源からの光を受けるための第１のアナログトラック光
    学カプラを設けるステップと、 デジタルトラック光学カプラと媒体の表面付近との間に
    入力デジタルトラック光ファイバを接続して半径内のデ
    ジタルトラックを照らすステップと、 第１のアナログトラック光学カプラと媒体の表面付近と
    の間に第１の入力アナログトラック光ファイバを接続し
    て半径内の第１のアナログトラックを照らすステップ
    と、 デジタルトラック光学カプラとデジタルトラック検出器
    との間に出力デジタルトラック光ファイバを接続してデ
    ジタルトラックからの反射光をデジタルトラック検出器
    に伝達するステップと、 第１のアナログトラック光学カプラと第１のアナログト
    ラック検出器との間に第１の出力アナログトラック光フ
    ァイバを接続して第１のアナログトラックからの反射光
    を第１のアナログトラック検出器に伝達するステップと
    を含む、請求項２９に記載の方法。
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