JPH11511852A - 光学プログラム式エンコーダ装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電動モータなどの電気機械的装置の周期的運動を、所定の波形を有する少なくとも１つの電気信号に変換するための光学的エンコーダ装置を提供する。この装置は、入射放射エネルギーの少なくとも１つのパターンに応答する少なくとも１つの光検出器（２６）と、光経路によって光検出器に結合された放射エネルギーを放射する少なくとも１つの発光体（２４）と、少なくとも１つの光学的に検出可能な図形パターン（３２）を含む光学的エンコーダ・ディスク（３０）と放射エネルギーのパターンを検出器まで通過させる少なくとも１つのアパーチャ（３８）を含むマスク（３６）を含む光学的にプログラムされたシステムとを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 光学プログラム式エンコーダ装置および方法 １．発明の分野 本発明は、一般に、光学的エンコーダ装置および方法に関し、より詳細には、 電気機械的装置の物理的な動きを、その装置を駆動し制御するために使用できる 有意義な電気信号に変換する光学的エンコーダに関する。そのような装置と方法 の１つの重要な用途は、モータの動作の制御に関係するものである。 ２．発明の背景 本発明に最も関連する背景技術は、モータの制御と整流の分野にある。しかし ながら、本発明はこの分野に制限されないことを理解されたい。本発明の最も重 要な用途がモータの動作の制御に関連しているため、以下の説明は、主にその分 野に関連する。 本発明は、モータの標準的な動作効率を付加的に改善または強化することがで きる、交流モータの簡単な可変速度制御装置および方法として実施することがで きる。この実施例は、単相と多相の交流誘導モータの光−電気間の直接的な整流 にかかわるものであるが、他の交流モータやブラシレス直流モータにも利用する ことができる。 一般に、交流誘導モータの整流は、交流電力周波数を使用して適切な固定子巻 線に誘導電流を提供し、電流を誘導する磁束を発生させ、その結果、電機子の巻 線に磁束を発生させる。適切に同期または整合されたとき、２つの磁束の間に、 電機子を動かすトルクまたは力が生じる。 電機子の運動、すなわちモータ速度は、特定の電圧レベルにおける入力電力の 周波数に正比例する。通常は、交流モータの入力電圧と周波数は固定されるので 、電機子の速度が固定される。交流誘モータでは、固定子と電機子の周波数の間 に、あるレベルの「周波数スリップ」が発生する。すなわち、電機子の速度が、 固定子の磁界の速度よりも遅い。電機子の速度の制御は、様々な周波数、電圧、 極数、 巻線または位相の数、スリップ量などを適切に調整することによって達成するこ とができる。 交流モータ（またはブラシレス直流モータ）の速度を変化させ制御する現在の 方法は、通常、分析、調整、変更、形成などを行うフィードバックまたは入力信 号を、マイクロプロセッサ、インバータまたはベクトル制御装置およびドライバ に供給して、モータに必要な周波数、電圧および電力と一致させる何種類かのモ ータ結線速度感知装置を必要とする。マイクロプロセッサ、インバータまたはベ クトル駆動機構からの信号によって、周波数、電力パルス幅、電流と電圧の振幅 、位相、またはそのようなパラメータの様々な組み合わせが制御される。これら の従来の方法は、一般に、複雑で、コストが高く、手間がかかる。これは、一般 に、速度感知入力装置または方法と、分析信号と制御信号の別々の整形装置と、 電力出力用ドライバとを必要とし、これらはすべて、互いに適切に接続し同期さ せなければならない。 本発明は、少ないエネルギーを使用しながら、信号装置を使用して、速度を感 知、分析、制御し、さらにトルクと出力を改善する点で、前述の方法と異なる。 本発明は、他の方法と同様に、モータの速度を入力電力周波数と電圧と関連付け るが、この関連付けを、他の速度変更方法によって使用される構成要素をほとん ど使用せずに達成する。本発明のエンコーダは、新規な「光学的プログラム機能 」の概念を利用して、少ないエネルギーを使用しながら、直接整流により、モー タ速度、方向、スリップ、位相を、整合、適合、分析、制御し、さらに、トルク と出力を改善する。 他にも、直流モータの整流制御のために光学的エンコーダを使用する方法が開 示されている。しかしながら、そのような方法においては、発光体、検出器およ びエンコーダ・ディスクなどの使用される光学要素は、抵抗的、磁気的または「 電気的」に変化する素子であってもよい。というのは、そのような方法は、単に 光の強さを増減、すなわち光経路を閉じたり開けたりして、正弦波または方形波 出力を作り出す、一次元だけの光学的「シャッタ」に関係するためである。その ような波形は、非光学要素によっても同様に作成することができる。 セワード(Seward)の米国特許第３，１９３，７４４号、イマムラ(Imamura) の米国特許第４，１６０，２００号、テレル(Terrell)の米国特許第４，２２４ ，５１５号、ベール（Veale）の米国特許第４，４２９，２６７号、ホー（Ho） の米国特許第４，５９９，５４７号、およびドラン（Dolan）他の米国特許第５ ，１０３，２２５号は、固定ディスク、マスクまたは網線と組み合わせて動作す る回転エンコーダ・ディスクを使って正弦波信号波形を作成する光学的エンコー ダを開示している。また、ボルン（Born）の米国特許第４，３５３，０１６号、 リー（Lee）の米国特許第４，８８２，５２４号、およびブラスター（Blaster） 他の米国特許第５，１９８，７３８号は、固定したマスクも網線なしに、整流と 回転速度計機能に使用するための方形パルスを生成する符号化・ディスクまたは ホイールだけを使用する光学的エンコーダの使用を開示している。最後に、ウェ バー（Webber）の米国特許第５、１７７、３９３号は、直流ブラシレス・モータ の整流に使用される、正弦波パターンで印刷された反射型エンコーダ・ディスク を使った光学的エンコーダを開示している。 これらの特許に示されたエンコーダはすべて、モータの整流信号の波形を所望 の形状に光学的に整形して、モータの速度、方向、スリップ、位相、トルクおよ び出力の制御を最適化できないという点で制限されている。すなわち、これらの 方法は、「光学的にプログラム可能」ではない。さらに、これらの特許に提案さ れたエンコーダの多くは、方形波駆動信号を発生させてその信号をモータの磁極 と巻線と整合させるために、付加的な整流「制御」成分を必要とする。さらに、 前述の特許のエンコーダはすべて、すべての光学要素の物理的配置、サイズ、形 状および相互作用に依存する。最後に、これらの特許のエンコーダは、設計の柔 軟性や、実際的かつ手頃な実施例を提供しない。 本発明の装置と方法は、装置の機械的動作を直接感知して、その装置または他 の制御素子と適合するプログラムされた電気信号に解釈または変換することがで きる光学的エンコーダを「光学的プログラム可能」な装置として使用する。この エンコーダは、所定の光学的関数を実現し、ほとんどすべての算術的または代数 的な波形関数を表すように図形的または幾何学的に整形することができる光学要 素を含むという点で、光学的にプログラムされる。このエンコーダは、光学的関 数の変換である所定の波形を有する少なくとも１つの電気信号を作成することが できる。電気信号は、エンコーダが結合された装置の「周期的」運動の結果直接 生じろため、それを利用して、（通常のエンコーダのように）制御し、（マイク ロプロセッサのように）整形、強化し、（コンバータのように）修正して整流し 、（増幅器のように）変化させることができる。本出願の目的上、「周期的」と いう用語は、制限されることなく、反復運動、周期的運動、回転運動、往復運動 、および弦運動を含むことを意図する。 本発明の装置および方法の能力は、提案する方法および装置とは別に、光学的 プログラミングによって、本発明を構成するほとんどの任意の算術的または代数 的な電子出力波形パターンを作成、整形、修正、制御することである。 ３．発明者の理念 エンコーダと符号化に関する私の見解、手法および展望は、電子回路および電 気回路にきわめて類似している。特に、私は、光学的符号化（ＯＥ：optical en coding）は、集積回路（ＩＣ）が約３０〜４０年前に電子回路にとってそうであ ったような入口にあると考える。ＩＣは、いろいろな意味で、単に従来の電子回 路の再パッケージングであった。この再パッケージングは、最初、既存の電子回 路や部品などを使って、より小さくてよりコスト効率の高い単一の有用なデバイ スに統合しただけであった。しかしながら、その単純な「再パッケージング」は 、革命的なほど急速に発展し、既存の回路の単なる再パッケージングではなく、 事実上、新しい市場、産業、および電子回路を作り出した。そのような回路の多 くは、ＩＣより以前には単に概念化されたり数学的に提示されたりしただけであ り、いくつかの事例では考えられさえしなかった。しかし、この単一製品への「 再パッケージング」または統合によって、そのような回路が可能にされた。 私は、符号化方法の私の手法、具体的には光学的符号化は、同じ様な入口にあ ると考える。今日、様々な光学的符号化技術が存在するが、私の一般的な手法が 行うような、単一、または最小化された安価な小型製品への「再パッケージング 」は、同様の可能性のシナリオを提供するものである。 類似性をさらに示すために、私は、今回、単一のＯＥパッケージにおいて、光 学的符号化に、これまで利用されなかった新しい用途の可能性を提供し、または いくつかの事例では、この「単一製品方法」によって構想される「光学的プログ ラミング」方法を開発した。 ＩＣと同様に、いくつかの事例では、このような多くの応用例は、すでに他の 形でまたは他の多数の部品を使用することにより存在している。私の方法と手法 は、これらを単一製品に統合した。しかしながら、ＩＣと同様に、私は、これま で数学的に提示されたに過ぎないか、実際に構成することができなかった概念を 実現化した。 さらに、私は、同様に、私の新しい「ＩＣ手法」以前には調査されず企図され なかった付加的な新しい概念と応用例を創造し考案した。光学的エンコーダ（Ｏ Ｅ）と関連して私が開発したこの「光学的プログラム機能」（ｏｐ）は、マイク ロプロセッサが、単一ＩＣチップ上に、様々な能力、適合性および「プログラム 機能」を提供する独特な一連の電子回路であるという点で、一種のマイクロプロ セッサ（μｐ）に例えることができる。 私は、同様に、マイクロプロセッサのような「プログラム機能」や様々な応用 機能、処理能力を開発したが、単一の凝集パッケージ（ＩＣのような）に統合し た。私の方法を、集積回路、マイクロプロセッサとに類似させているのは、光学 的符号化、光学的プログラミング、一般的能力を１つのパッケージに等化するこ の新規で固有の概念である。ＩＣが、電子的用途や能力さらに産業の新しい概念 を切り開くマイクロプロセッサの発展と作成に役だったように、光学的符号化と 光学的プログラム機能も役立つはずである。 したがって、私の論点は、光学的符号化と光学的プログラミングの本発明およ び概念は、集積回路とマイクロプロセッサが約３０〜４０年前にあった状況にあ るということである。能力、機能、生産物および産業の限界と範囲は、まさに今 、私の手法によってわずかに切り開かれているに過ぎない。 この概念と生産物の可能性をきわめて刺激的で独特で無限にするのは光学的に プログラムされたエンコーダに対して私が抱くこの普遍的で一般的な期待である 。 発明の目的と概要 したがって、本発明の目的は、従来の光学的エンコーダに付随する制限および 課題を回避した光学的エンコーダ装置および方法を提供することである 本発明のもう１つの目的は、光学的プログラム機能の概念を使用して、特定の 用途にカスタマイズされた様々な電気信号波形を生成する光学的エンコーダ装置 および方法を提供することである。 本発明のさらに他の目的は、所望の電気信号波形を生成するように光学的にプ ログラムすることができる素子を有する光学的エンコーダ装置を提供することで ある。 本発明のさらにもう１つの目的は、単相または多相交流モータとブラシレス直 流モータを直接駆動し制御するための光学的エンコーダ装置および方法を提供す ることである。 本発明のさらにもう１つの目的は、単一の光電気装置を利用してモータの速度 を感知、分析、制御する光学的エンコーダ装置および方法を提供することである 。 本発明のさらにもう１つの目的は、モータの動作を制御するための電気装置ま たは電子装置の要件を最小にするための光学的エンコーダ装置および方法を提供 することである。 本発明のさらにもう１つの目的は、効率、トルクおよび出力を改善する光学的 エンコーダ装置および方法を提供することである。 本発明のさらにもう１つの目的は、エンコーダ装置だけの光学的プログラム機 能を利用するか、モータの駆動回路の電子的能力と組み合わせて利用するかして 、力率を大幅に改善し、電力線の調波ひずみを減少またはなくすことである。 本発明のさらにもう１つの目的は、交流誘導モータ、交流同期モータ、交流ス リップ・モータ、直流ブラシレス・モータ、直流ステップ・モータ、単相モータ 、多相モータ、少極モータ、多極モータの実施形態やその他の運動制御用途に一 般的に適した光学的エンコーダ装置および方法を提供することである。 本発明のさらにもう１つの目的は、光学的エンコーダ装置を、それぞれのモー タを修正したり重くて厄介な取付け具を利用したりせずに、ほとんどのモータ軸 に容易に取り付けることができる、簡単でかつ完全なパッケージに構成すること である。 以上の目的及びその他の目的は、電気機械的装置の周期的運動を、所定の波形 を有する少なくとも１つの信号に変換する光学的エンコーダ装置を提供する本発 明によって達成される。この装置は、入射放射エネルギーのパターンに応答して 、その放射エネルギーから電気信号を生成する少なくとも１つの光検出器を含む 。 光学的にプログラムされた手段は、光検出器と光学的に位置合わせされ、装置 の周期的運動によって動作するように構成される。光学的にプログラムされた手 段は、光検出器で検出した入射放射エネルギの少なくとも１つのパターンを、幾 何学的あるいは図形的関数を含む光学的関数によって、複数の方向に修正する。 この幾何学的あるいは図形的関数は、同等の波形関数の変換であってもよい。 光学的にプログラムされた手段は、光学的エンコーダ・ディスクなどの、少な くとも１つの光学的に検出可能な図形パターンを含む光学要素を含む、このパタ ーンは、少なくとも１つの図形的に整形されたサイクルを含み、断片的な数のそ のような図形サイクルを含むこともある。また、プログラムされた手段は、放射 エネルギーのパターンが光検出器まで通過できるようにする少なくとも１つの図 形的に整形されたアパーチャを有するマスクを含む。 図形関数は、最初に、装置の周期的運動に従って一方が他方に対して走査され るような、ディスク図形パターンとマスク・アパーチャ・セットの光学的作用の 組み合わせによって実現される。光検出器は、光電応答を有し、この応答と光学 的関数の積が、所定の波形を定義する。光検出器における入射放射エネルギーの 修正パターンは、所定の波形を有する電気信号に変換される。 光学的にプログラムされた手段は、また、放射エネルギーを放射する少なくと も１つの発光体を含んでもよい。放射装置からの放射エネルギーは、図形的また は幾何学的に形成された光経路によって光検出器に結合される。 本発明の光学的エンコーダ装置は、特定のモータに特に整合され同期された信 号波形を生成することによって電動モータの動作を効率的に制御する特定の用途 を有する。たとえば、このエンコーダは、駆動信号の周波数をモータの速度に同 期させる可変速度制御装置として使用することができる。そのような事例では、 制御装置は、エンコーダによって生成された電気信号を増幅し、また速度変更を 開始する駆動信号の電圧レベルを調整する手段を提供する増幅器を含むであろう 。 本発明の光学的エンコーダ装置は、Ｎ相のモータの回転運動を、それぞれモー タを駆動するのに適した所定の位相関係を持つ電気信号に変換するように実施す ることができる。この場合、エンコーダは、それぞれ発光体、図形パターン、マ スク・アパーチャを備えるＮ個の光学チャネルを有する。好ましい実施例におい て、アパーチャと図形パターンは、モータ軸と共に回転するように作成されたエ ンコーダ・ディスク上に同心で配置される。信号に位相差を作成する１つの方法 は、エンコーダ・ディスク上の図形パターンの角度位置を徐々にずらすことであ る。各信号の相対位相は、モータ軸の回転の特定の点における図形パターンとそ れと関連したマスク・アパーチャの相対位置によって決定される。 また、本発明により、電気機械的装置の周期的運動を、所定の波形を有する少 なくとも１つの電気信号に変換する方法が企図される。さらに、本発明により、 電動モータの速度を含む動作を制御する方法が企図される。 本発明により交流誘導モータの動作を制御する１つの特定の方法は、（１）モ ータの軸に、モータの定格速度と電力電圧において定格電力周波数を生成するの に必要な電気サイクルよりも大きい電気サイクルを有する波形関数によって光学 的にプログラムされた光学的エンコーダを結合する段階と、（２）モータ軸の各 回転ごとに波形関数を実質上繰り返すエンコーダ出力信号を生成する段階と、（ ３）エンコーダの出力信号を、モータの定格速度を生成する電圧レベルまで増幅 する段階と、（４）増幅したエンコーダ出力信号をモータに供給する段階とを含 む。さらに、この方法によれば、エンコーダ出力信号の電圧レベルを変化させて 、モータの速度を変化させ、それによりエンコーダ信号の周波数を指定された数 まで変化させることができる。 図面の簡単な説明 本発明のさらに他の目的は、次の添付図面に関連した好ましい実施例の以下の 説明から明らかになるであろう。 図１は、単相交流誘導モータに結合された、本発明により構成された単一チャ ネルの光学的エンコーダの概略図である。 図２は、検出器の光応答面に入射する放射エネルギーの瞬間的パターンを示す 、 図１の光学的エンコーダの光検出器素子の概略図である。 図３は、三相交流誘導モータに結合された、本発明により構成された３チャネ ル光学的エンコーダの概略図である。 図４Ａ〜Ｂは、それぞれ、正弦波波形とそれに対応する波形関数を生成する図 形パターンを有する、本発明によって構成された光学的エンコーダ・ディスクの 図である。 図５Ａ〜Ｃは、それぞれ、台形波形とそれに対応する波形関数、および図５Ａ の循環図形パターンとそれに対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ− Ｙ）を生成する図形パターンを有する本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示 す図である。 図６は、図４Ｂ、５Ｂおよび７Ｂの波形関数に対応する波形を有する信号を生 成するために、図４Ａ、５Ａおよび７Ａのエンコーダ・ディスクに使用される、 本発明により構成されたマスクの上面図である。 図７Ａ〜Ｃは、それぞれ、正弦波波形とそれに対応する波形関数、および図７ Ａの循環図形パターンとそれに対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ −Ｙ）を生成する図形パターンを有する本発明の光学的エンコーダ・ディスクを 示す図である。 図８Ａ〜Ｃは、それぞれ、均一と不均一な図形パターンと、不均一パターンに 対応する波形関数と、図８Ａに示した不均一図形パターンとそれに対応するマス ク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を有する本発明のもう１つの光学的エ ンコーダ・ディスクを示す図である。 図９は、それぞれ、１つの電気サイクルを有する台形波形関数と、それに対応 するエンコーダ・マスクおよびディスクの構成を示す。 図１０は、１つの電気サイクルを有する三角波形関数と、それに対応するエン コーダ・マスクおよびディスクの構成を示す図である。 図１１Ａ〜Ｆは、それぞれ、特定の波形関数と、それに対応して代数的エリア ・フィル方程式によって計算されたエンコーダ・ディスクとエンコーダ・マスク の構成を示す図である。 図１２Ａ〜Ｃは、それぞれ０、１２０および２４０電気角度だけ位相がずらさ れた３つの電気信号を生成するために、角度がそれぞれ０、４０および８０°物 理的にずらされた３つの図形パターンと、図１２Ａのエンコーダ・ディスクに使 用されるエンコーダ・マスクと、図１２Ａの図形パターンに対応する３つの位相 がずらされた波形関数とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す 。 図１３Ａ〜Ｃは、それぞれ、角度がそれぞれ０、４０および８０°ずらされた ３つの図形パターンと、角度が０、−１０および−２０物理角度ずらされたアパ ーチャを有する図１３Ａのエンコーダ・ディスクに使用されるエンコーダ・マス クと、それと対応して０、９０および１８０電気角度だけ位相がずらされた３つ の波形関数とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。 図１４Ａ〜Ｄは、それぞれ、６つのアパーチャを含む図形パターンと、正弦波 波形を生成するように図形的に整形されたアパーチャを含むマスクと、それと対 応する波形関数と、図１４Ａの図形パターンおよびそれと対応するマスク・アパ ーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディ スクを示す。 図１５Ａ〜Ｄは、それぞれ、３つのアパーチャを含む図形パターンと、正弦波 波形を生成するように図形的に整形された一対のアパーチャを含むマスクと、対 応する波形関数と、図１５Ａの図形パターンとそれに対応するマスク・アパーチ ャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスク を示す。 図１６Ａ〜Ｆは、非整数の波形関数から生成された信号の不連続性を図形的に 補正する方法を示す波形プロットである。 図１７Ａ〜Ｄは、それぞれ、反復不均一波形を生成する補正図形パターンおよ び補正の拡大図と、それと対応する補正済みと未補正の波形関数と、未補正の図 形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）と、補正済み図形パターンの等価線形表現 （Ｘ−Ｙ）とを有する、本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。 図１８は、本発明により構成された光学的エンコーダの分解図である。 図１９は、図１８のエンコーダの断面図である。 図２０〜２２は、本発明の光学的エンコーダのモータへの取り付け方法を示す 一連の図である。 図２３Ａ〜Ｂは、それぞれ、本発明の光学的エンコーダのハウジングを固定し 、モータ軸に対する角度位置を調整するために使用される、回転防止クリップの 側面図と上面図である。 図２４は、モータの軸に取り付けられ、回転防止クリップによってモータに調 整式に固定された本発明のエンコーダの上面図である。 図２５Ａ〜Ｂは、それぞれ、非整数波形関数に対応する図形パターンと、図２ ５Ａの図形パターンに対応する非整数波形関数の図形プロットとを有する本発明 のエンコーダ・ディスクの上平図を示す。 図２６Ａ〜Ｂは、それぞれ、本発明のもう１つのエンコーダ・ディスクの上面 図と、図２６Ａのエンコーダ・ディスクに対応する連続波形出力の図形プロット とを示す。 図２７Ａ〜Ｂは、電気的な波形の組み合わせによる波形の整形を示す回路図で ある。 図２８は、本発明の方法の好ましい実施例の概略を示す流れ図である。 好ましい実施例の説明 次に、図１を参照すると、本発明の本質的な要素が概略的に示されている。単 相３極対交流誘導モータ１０は、固定子アセンブリ１２と回転子アセンブリ１４ とを含む。固定子１２は、３対の巻線を含む。巻線対１６ａと１６ｂは、アース と交流入力Ａの間に直列に接続される。他の巻線対も同様に接続され、巻線対は すべて、図示したように並列に接続される。巻線に交流入力信号が与えられると 、固定子１２には６つの磁極が確立され、これらの極は、これと対応する数の極 を回転子１４に発生させる。モータ１０は、始動巻線（図示せず）などによる任 意の周知の方法で始動することができる。 回転子１４は、中心軸２０のまわりに回転する軸１８を有する。本発明により 構成される光学的エンコーダ２２は軸１８に結合される。エンコーダ２２は、好 ましくは赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）である少なくとも１つの発光体２４を 含む。光検出器装置２６は、発光体２４と位置合わせされ、発光体２４から放射 される放射エネルギーに応答する。検出器２６は、光検出器２６に入射した放射 エネルギーの量に比例する電気信号を生成する。検出器２６は、フォトトランジ スタであることが好ましい。エミッタ２４と検出器２６は両方とも、適切な位置 に固定され、光経路２８に沿って位置合わせされる。エンコーダ・ディスク３０ の形の光学要素は、軸１８に結合され、軸１８と一緒に回転するように作成され る。エンコーダ・ディスク３０は、少なくとも１つの図形的に整形されたサイク ル３４を含む、光学的に検出可能な図形パターン３２を含む。好ましい実施例に おいて、図形サイクル３４は、光学的な窓の形に実施される。モータの制御を含 む多くの応用例において、図形サイクル３４の数は、回転子の極対の数と等しい 。さらに、図形サイクル３４は、極対と物理的（角度的）に位置合わせされる。 後で説明するように、いくつかの応用例では、図形サイクルを極と一致させるこ の条件には従わない。また、後の説明から、図形サイクル３４が個別の光学窓と して必ずしも実施されるとは限らないことが明らかになる。いくつかの事例では 、ある図形サイクルが別の図形サイクルに徐々に遷移することがある。さらに、 サイクル３４は、透明（または半透明）のエンコーダ・ディスク上の不透明領域 として実施することができる。もう１つの実施例において、サイクル３４を、反 射エンコーダの実施例において反射パターンとして実施することができる。 図１をさらに参照すると、エンコーダ・ディスク３０は、回転子１８の軸２０ と位置合わせされた中心軸３１を有する。ディスク３０は、中心軸３１のまわり に回転する。エンコーダ２２は、さらに、好ましくはディスクの形のマスク３６ を含む。マスク３６は、Ｖ字形のアパーチャ３８を含む。マスク３６は、エンコ ーダ・ディスク３０の中心軸３１と物理的に位置合わせされた中心軸３７を有す る。マスク３６は、回転子の軸１８に結合されず、エンコーダ２２の動作中に静 止したままにされる。 エンコーダ・ディスク３０は、軸１８の回転運動によって操作され、光経路２ ８を介して図形パターン３２が走査される。その意味で、ディスク３０は、光経 路２８と光学的に結合される。図１に示したように、パターン３２は、想像上の 走査トラックに沿って、中心軸３１のまわりに同軸に配置される。 図１に示したように、マスク３６のアパーチャ３８は、光経路２８およびパー タン３２と位置合わせされる。アパーチャ３８の機能は、量が制限され図形的に 制御された放射エネルギーを検出器２６に伝わるようにすることである。アパー チャ３８の寸法「ｙ」は、図形パターン３２（図１を参照）の最大の寸法「ｙ」 と等しい。この寸法の関係は、たとえば、図５Ｃと図７Ｃに示されている。図８ は、マスク・アパーチャ（３６０）の寸法「ｙ」と、図形円（３６４ｂと３６４ ｃ）のうちの少なくともいくつかの「ｙ」の最大寸法が異なってもよいことを示 している。 アパーチャ３８の寸法は、検出器２６の光感応面よりも小さいことが好ましい 。アパーチャ３８は、定義された放射エネルギー・パターンが、検出器２６の光 感応面に確立されることを保証するように整形され寸法が決められる。この要件 については、図２を参照して以下にさらに詳しく説明する。 図１に示したように、電位差計４０が、電源Ｖｃｃとアースの間に電気的に接 続される。検出器２６の出力は、電位差計４０の調整ワイパ４２に電気的に接続 される。ワイパ４２は、電力増幅器４４に直接接続される。増幅器４４は、検出 器２６の低電圧出力を、電圧モータ１０の巻線を駆動できる電圧レベルまで増幅 できなければならない。多くの応用例において、増幅器４４は、検出器の出力を 、少なくとも１２０ボルトＲＭＳのレベルまで増幅しなければならない。増幅器 ４４は、特別に設計され最適化された装置でも、標準的な市販の電力増幅器でも よい。整流信号が正弦波であることが期待されるときは、より効率の高いクラス 「Ｃ」（インダクタンスと周波数を調整した）の増幅器を使用することもできる 。増幅器は、その出力を調整できるように、利得調整を備えていることが好まし い。 いくつかの応用例において、エンコーダ２２の信号出力レベルを、エミッタ２ ４および／または検出器２６に電力を加える電源を変化させることによって調整 することができる。この方法を使用すると、エンコーダ信号の出力レベルを、た とえば１．５〜１２ボルトの間で変化させることができる。レベルの調整は、た とえば、システム制御信号に応答して、自動的に行うことができる。 エンコーダのフィードバック・ループを完成させるために、増幅器４４の出力 は、モータ１０の入力端子Ａに接続される。エンコーダ２２によって生成される 信号波形が、モータ１０の巻線に直接加えられる。したがって、本発明は、モー タ１０の整流を直接制御する。 本発明の光学的エンコーダは、光学的にプログラムされることを理解されたい 。エンコーダのすべての光学要素は、プログラム可能なパラメータと考えられ、 発光体とその放射エネルギー出力、エンコーダ・ディスク、マスク・アパーチャ 、レンズ、シャッタ、プリズム、およびエンコーダの光検出素子に入射する放射 エネルギーのパターンを修正するために利用されるその他の光学要素または装置 を含むが、それらに制限されない。エンコーダに使用される光学要素の特性は、 エンコーダが所定の電気信号波形出力を生成できるように、選択、構成または調 整される（すなわち、プログラムされる）。エンコーダに構成されたような、こ れらの光学要素を組み合わせた光学的応答は、光学的関数と呼ばれることがある 。したがって、エンコーダの光検出器手段に入射した放射エネルギーのパターン は、光学的関数に従って修正され、この関数は、光検出器手段における入射パタ ーンに作用する光学的にプログラムされた素子の光学応答の組み合わせを表す。 好ましい実施例において、光学的関数は、エンコーダ・ディスク上に含まれる 図形パターンの光学的応答あるいは図形パターンとマスク・アパーチャの応答の 組み合わせを表す少なくとも１つの「図形関数」を含む。光学的関数は、エンコ ーダの光経路にある他の素子に起因する他の図形関数を含むことを理解されたい 。本出願の「図形関数」という用語については、後で詳しく定義する。 図１を再び参照すると、エンコーダ・ディスク３０とマスク３６は両方とも、 その光学的応答の特徴（たとえば、円３４とアパーチャ３８）が、図形関数にし たがって位置決めされ、整形され、寸法が決められるため、光学的にプログラム される。本出願の目的上、「図形関数」という用語は、数学的に定義された幾何 学的、代数的および寸法的な関数と、数学的に定義可能かどうかに関係ない経験 的に選択された図形表現とを含むが、これらに制限されない。 好ましい実施例において、選択された図形関数は、電気的波形関数の変換であ る。モータ制御の応用例において、電気的波形は、予想される負荷条件下でモー タを最適に駆動するように指定される。たとえば、空気調整装置内のコンプレッ サを駆動するモータは、モータの軸の１回転ごとに不均一な負荷条件を経験する 。そのような場合に、これと対応する駆動信号の不均一な波形を、最適に指定す ることができる。図８Ｂに、そのような波形の例を示してある。最適な波形関数 を 識別した後で、代数的なエリア・フィル関数（後述する）を使用することによっ て、その図形的または代数的な等価物を選ることができる。エンコーダ２２にお いて、図形関数は、エンコーダ・ディスク３０が、モータの軸１８と一緒に回転 し、アパーチャ３８によってパータン３２を走査するときに、図形パターン３２ とアパーチャ３８の光学的作用の組み合わせによって物理的に実現される。 発光体２４からの放射エネルギーは、検出器２６の光感応面に入射するまで光 経路２８に沿って導かれる。入射放射エネルギーは、検出器２６の光感応面にパ ターンを形成する。この面は、図２に参照数字４６で表されている。入射放射エ ネルギーのパターンは、面４６の全体的な寸法によって制限されることがある。 しかしながら、アパーチャ３８が、パターンの最大寸法を定義することが好まし い。図２に示したように（単に例示的な目的）、アパーチャ３８は、制限された 領域４８を有す。領域４８は、所望の図形関数に従う任意の形に構成することが できることを理解されたい。 図２をさらに参照すると、ディスク３０とマスク３６の光学的作用の組み合わ せを理解することができる。領域４８内で、陰が付けられていない領域５０は、 面４６上の入射エネルギーの瞬間的なパターンを表わしている。陰付きの領域５ ２は、有界領域４８内に放射エネルギーがないことを表わす。反射エンコーダ・ システムにおいて、領域５０と５２は、複雑な干渉パターンにおける入射放射エ ネルギーの様々な強さを表すことになる。 説明を分かり易くするために、面４６にｘ、ｙ座標系を表した。図示した瞬間 の場合、入射放射エネルギー５０のパターンは、ｘ、ｙ座標領域における特定の 図形形状によって定義される。図２からわかるように、パターン５０は２次元ス ペースにおいて様々な方向に変化する。図形パターン３２がアパーチャ３８によ って走査されるとき、入射放射エネルギー・パターン５０は、複数の方向に修正 または再整形される。図２の矢印は、パターンを修正することができる方向を概 略的に示す。入射パターン５０は、この場合、アパーチャ３８によって走査する 図形パターン３２によって実現される定義された図形関数に従って修正される。 フォトトランジスタ２６が、瞬間的な放射エネルギー・パターン５０に応答し 、パターン５０で表わされた放射エネルギーの量に比例する電気信号を生成する 。 検出器２６は、線形のときに、最初に指定された波形関数と一致する波形を有す る電気信号を生成する光電応答に特徴がある。光電応答は、線形でなくてもよい 。実際には、この応答を、付加的なプログラム可能な設計パラメータとして使っ て、所望の波形を生成することができる。この実施例において、検出器２６の光 電応答と指定された波形関数の積が、検出器２６の出力に生成される電気信号波 形を定義する。 次に、図３を参照すると、本発明の光学的エンコーダの３チャネルの実施例が 示されている。この実施例において、エンコーダは、三相３極対交流誘導モータ １００を駆動するために使用される。モータ１００は、固定子アセンブリ１０２ と回転子アセンブリ１０４を有する。モータの構造は、従来通りであり、詳細に は説明しない。固定子アセンブリ１０２は、各位相ごとに３つの巻線対１０６ａ および１０６ｂを含む（各位相に一対だけを示した）。モータ１００は、それぞ れの三相入力信号のための３つの交流入力端子Ａ、ＢおよびＣを有する。各対の 巻線１０６ａ、１０６ｂは、回転子１０４に極対を発生させる(すなわち、各位 相ごとに３つの極対)。図３の概略図において、回転子１０４内に示したそれぞ れの極対（Ｎ−Ｓ）が３つの実際の極対を表わす。 図３に示したように、３チャネル・エンコーダ１１０は、モータ１００の回転 軸１０８を結合され、図１のエンコーダ２２に関して説明したものと同じ方法で 、軸１０８の回転軸１１２と機械的に位置合わせされる。エンコーダ１１０は、 ３つの赤外線ＬＥＤ発光体１１４ａ〜ｃを含む。エミッタ１１４ａ〜ｃは、エミ ッタ１１４ａ〜ｃとそれに対応する数のフォトトランジスタ１１６ａ〜ｃの間に 画定された各光経路に沿って赤外線エネルギーを放射する。エンコーダ１１０は 、中心軸１１９のまわりに回転するように形成されたマルチトラックの光学的エ ンコーダ・ディスク１１８を含む。ディスク１１８は、同軸に配置された、光学 的に検出可能な３つの図形パターン１２０ａ〜ｃを含む。エンコーダ１１０は、 さらに、３つのアパーチャ１２４ａ〜ｃを含む、ディスクの形で形成されたマス ク１２２を含む。図１のエンコーダ２２に使用するとき、マスク１２２は静止し た状態で保持され、一方、エンコーダ・ディスク１１８は軸１０８の回転運動に よって回転するように作成される。マスクのアパーチャ１２４ａ〜ｃと図形パタ ー ン１２０ａ〜ｃは、図１のエンコーダ２２に関して説明したのと同じ方法で、光 経路に対してそれぞれ位置合わせされる。 図３に示したように、３つの電位差計１２６ａ〜ｃが電源Ｖｃｃとアースの間 に電気的に接続される。検出器１１６ａ〜ｃの出力リードは、電位差計１２６ａ 〜ｃの調整ワイパにそれぞれ接続される、電位差計１２６ａ〜ｃの調整ワイパは 、それぞれの電力増幅器１２８ａ〜ｃの入力に接続される。検出器１１６ａ〜ｃ の低電圧出力信号は、図１の実施例に関して説明したように、モータ１００を直 接駆動するのに十分なレベルまで増幅される。増幅器１２８ａ〜ｃの出力Ａ、Ｂ およびＣは、モータ１００の入力Ａ、ＢおよびＣに直接接続される。エンコーダ １１０は、図１と図２を参照して説明した事例と同じように電気信号出力を生成 する。 検出器１１６ａ〜ｃの出力信号の相対位相は、軸１０８の特定の回転角度にお けるそれぞれのアパーチャ１２４ａ〜ｃに対する図形パターン１２０ａ〜ｃの位 置によって決定される。図３において、エンコーダ１１０の出力信号は、モータ １００を適切に駆動するために、相対位相が、０、１２０および２４０電気角度 でなければならない。この位相関係は、所望の電気角度の移相（たとえば、１２ ０または２４０電気角度）を図形パターンの図形サイクルの数で割ったものと等 しい物理角度だけ各図形パターンの位置を回転させることによって確立すること ができる。 図３の実施例の場合、所望の１２０電気角度の移相を作り出すために、パター ン１２０ｂの位置がパターン１２０ｃに対して４０物理角度だけ回転される。同 様に、所望の２４０電気角度の移相を作り出すために、パターン１２０ａの位置 がパターン１２０ｃに対して８０物理角度だけ回転される。図３において、アパ ーチャ１２４ａ〜ｃの角度位置はそろえられ、したがって移相に寄与しない。他 のマルチチャネルの移相の例については、図１２Ａ〜Ｃと図１３Ａ〜Ｃを参照し て後で説明する。 次に、本発明の光学的エンコーダの設計を、２つのモータ制御の例に関して説 明する。最初に、図１にあるような、３つの極対を有する単相交流モータを含む 同期的な例を検討する。このモータは、同期速度で、１２００ＲＰＭまたは２０ ＲＰＳ（回転／秒）で回転する。モータは同期速度で回転するために、６０Ｈｚ と１２０ボルトを必要とする。この周波数は、モータの回転子の軸に直接結合さ れた、光学的にプログラムされたエンコーダ・ディスクとマスクとの組み合わせ によって作り出される。エンコーダ・ディスクに含まれる光学的に検出可能な図 形パターンは、回転子軸の１回転当たり対応する３つの電気波形サイクルを作成 するために、３つの図形サイクルを含まなければならない。そのような装置を、 正弦波波形に関して図４Ａに示す。 図４Ａのエンコーダ・ディスク２００は、３つの図形サイクル２０４ａ〜ｃを 含む図形パターン２０２を含む。図６に、ディスク２００と共に使用されるマス ク・アパーチャを示す。ディスク２００が２０ＲＰＳで回転しているとき、エン コーダによって６０Ｈｚの正弦波交流信号が作成される(１回転あたり２０ＲＰ Ｓ×３電気サイクル)。図４Ｂに示したように、エンコーダ・ディスク２００が １回転（０〜３６０°）すると、３つの電気サイクル２０６ａ〜ｃができる。こ れは、この例にとって望ましい波形関数である。 最初に、エンコーダ・ディスク２００の図形パターン２０２と、図６に示した マスク・アパーチャを、所望の波形関数をベクトル・データ・テーブルの形で表 すことによって作成する。この正弦波の例において、ベクトル・テーブル値は、 次の式から得られる。 ｙ＝ｓｉｎ（電気角度） ３６０機械角度（物理的１回転）にわたる３つの完全な電気サイクルが表される 。したがって、ディスクの１回転で１８０°の電気角度がある。ベクトル・デー タをプロットして、最終的な波形がどのようになるかに関して視覚的なフィード バックを提供することができる。（図４Ｂは、プロットした入力波形と、その結 果生じるフォトトランジスタの電気出力の両方を表わす。） 次のステップは、光学パターン２０２における図形サイクル２０４ａ〜ｃの形 状を決定することである。これは、代数的エリア・フィル方程式を使用すること によって達成される。上記の方程式から計算されたベクトル値を、次の方程式に 代入する。 ここで、 Ｖ＝ディスクのエリア・フィル・ベクトル Ｗ＝波形入力ファイルに発生する波形点 ｐ＝波形入力ファイルの点の数 ｍ_i＝マスクの幅、入力パラメータ ｎ＝１、２、３、...ｐ ｖ＝ベクトルのスケール・ファクタ、入力パラメータ 式(Ｗ_n+1−Ｗ_n)*ｖ／８＋ＶとＶ_n-mは、それぞれの計算結果が負の場合に値が０ であると仮定する。 マスク・アパーチャの形状は、光学信号の固有の減衰に適合される。この例では 、方程式は、次の通りである。 ｐ／２＞ｍ_iならば、ｍ＝ｍ_i ｐ／２＜ｍ_iならば、ｍ＝Ｐ／２ ここで、 ｐ＝波形入力ファイルの点の数 ｍ_i＝マスクの幅、入力パラメータ ｍ＝マスクの幅、概算． ｍ_i＞＝２ 上記の方程式は、ディスク・パターンがマスクに対して水平方向に動いた場合 のＸ、Ｙエリア・フィルの例にすぎない。回転運動の場合は、極値が使用される 。必要な光学的に生成される波形を作り出すために、適切なディスクとマスクの 組合わせを得る多数の方程式、アルゴリズムまたはその他の方法があることを理 解されたい。最終ステップで、上記の方程式から得られた代数的エリア・フィル 値に従って、ディスクとマスクが印刷される(水平方向と半径方向の動きに適合 された)。 次に、非同期的な例を検討する。最初に、モータの周波数と標準動作速度から 、１回転当たりに必要なサイクル数を決定する。たとえば、標準動作速度が１， ０５０ＲＰＭの６０Ｈｚのモータを使用する場合、１２０ボルトの交流において １回転当たり３．４２８電気サイクルを必要とする。必要な電気サイクル数を決 定し、それが整数でないと判明した場合は、その数を、次の最も近い全サイクル まで端数を切り上げるか、少し上の全サイクルにする。たとえば、モータが、１ 回転当たり３．４２８電気サイクルを必要とする場合は、エンコーダ・ディスク を設計するために、１回転当たり４サイクル（あるいは、５または６サイクル） を選択することができる。(次の整数サイクルまで端数を切り上げるこの方法は 、所定の速度にとってより低い駆動電圧が好ましい場合のオプションである)。 次のステップで、１回転当たりのこの高いサイクル数を、上記のエリア・フィ ル方程式を使ってエンコーダ・ディスクに光学的にプログラムする。プログラム したディスクを、負荷をかけたモータに取り付けると、１回転当たりのサイクル 数が多いため、１２０ボルトの交流におけるその標準動作速度よりも高速にモー タを作動させる（直接増幅の後で）信号を生成することができる。そのような事 例では、モータの性能が改善される(すなわち、同じ負荷と入力電力で回転が速 くなる)。モータに入力する電圧を低くすることにより、モータとエンコーダ・ ディスクの回転速度が、６０ヘルツの標準動作速度まで低下する。モータは、指 定された電圧（１２０Ｖ交流）よりも低い電圧の標準動作速度（６０Ｈｚ）で駆 動され、そのため、同じ負荷のモータを動作させるのに必要なエネルギーの量が 減少する。負荷がより多くのエネルギーを必要とした場合（すなわち、モータの 回転が速くならなかった場合）は、エンコーダが６０Ｈｚの速度を超えないので 、電圧を低下させる必要がなくなり、したがって、入力エネルギーは、より要求 の厳しい負荷と整合することになる。 図２８は、モータを動作させる上記方法の一実施例を概略的に示す流れ図を示 す。この方法は、モータの定格速度、周波数および電圧に関して非整数のサイク ルが計算されても計算されなくても適用可能である。段階１で、本発明の光学的 エンコーダが、モータ軸に結合される。エンコーダは、モータの定格速度と電力 電圧において定格電力周波数を生成するのに必要なサイクルよりも多い電気サイ クル数を有する波形関数で光学的にプログラムされる。段階２で、波形関数を実 質上繰り返すエンコーダ出力信号が、モータ軸の各回転ごとに生成される。段階 ３で、エンコーダの出力信号が、モータの定格速度を生成する電圧レベルまで増 幅される。最後に、段階４で、モータに、増幅されたエンコーダ出力信号の電力 が供給される。さらに、この方法により、エンコーダ出力信号の電圧レベルを変 化させ、モータの速度を変化させて、それによりエンコーダ信号の周波数を指定 の周波数まで変化させることができる。 前述の同期と非同期の例の両方において、エンコーダの速度をモータの動作速 度に対して較正した後、モータに入力する電圧を調整するだけでモータの速度を 制御することができ、較正されたエンコーダによって、速度が必ず周波数と一致 するようになる。 図４Ａ〜Ｂ、図５Ａ〜Ｃ、図７Ａ〜Ｃ、図８Ａ〜Ｃ、図９、図１０、図１１Ａ 〜Ｆ、図１２Ａ〜Ｃおよび図１３Ａ〜Ｃに、エンコーダ・ディスクのいくつかの 例と、ディスクを図形的に符号化するために使用される波形関数とを示す。図５ Ａの、エンコーダ・ディスク２５０は、３つの図形サイクル２５２ａ〜ｃを有す る図形パターンを含む。この例において、図形サイクル２５２ａ〜ｃは、透明な 光学窓である。図６は、ディスク２５０と一緒に使用されるように意図されたマ スク・アパーチャ２５６を含むマスク２５４を示す。波形関数２５８が図５Ｂに 示されており、これはサイクル２５２ａ〜ｃとマスク・アパーチャ２５６の形を 決定するために使用される。また、波形関数２５８は、エンコーダの実際の電気 信号出力を表わす。図５Ｃに、図形サイクル２５２ａ〜ｃとマスク・アパーチャ ２５６の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。マスク・アパーチャ２６０はアパーチ ャ２５６に対応し、サイクル２６２ａ〜ｃはサイクル２５２ａ〜ｃに対応する。 図７Ａ〜Ｃは、エンコーダ・ディスクの回転ごとに６つの電気サイクルが必要 とされるもう１つの正弦波の例を示す。図７Ａにおいて、エンコーダ３００は、 ６つの図形サイクルを有する図形パターン３０２を含む。図形サイクルは透明な 光学窓である。この例において、マスク・アパーチャ２５６（図６）はディスク ３００と共に使用される。波形関数３０４が図７Ｂに示されており、これはパタ ーン３０２とマスク・アパーチャ２５６の形状を決定するために使用される。ま た、波形関数３０４は、エンコーダの実際の電気信号出力を表わす。図７Ｃに、 図形パターン３０２とマスク・アパーチャ２５６の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示 す。マスク・アパーチャ３０６は、アパーチャ２５６に対応し、図形パターン３ ０８はパターン３０２に対応する。図１２Ｂ、１３Ｂ、１４ＢおよびＩ５Ｂに、 マスク・アパーチャの他の幾何学的形状の例を示す。 図８Ａ〜Ｃは、不均一な波形の例を示す。図８Ａにおいて、透明なエンコーダ ・ディスク３５０は、均一な図形パターン３５１と不均一な図形パターン３５３ を含む。図形パターン３５１は、４つの均一な図形サイクルを含み、パターン３ ５３は、図示したように３つの不均一な図形サイクル３５２ａ〜ｃを含む。パタ ーン３５１の図形サイクルとパターン３５３の図形サイクル３５２ａ〜ｃは、透 明なエンコーダ・ディスク３５０に印刷された不透明な光学的網線である(「透明 基体上の不透明領域」)。図８Ａは、また、パターン３５１および３５３と共にそ れぞれ使用するように構成され寸法が決められた１対のマスク・アパーチャ３５ ４ａおよび３５４ｂを示す。この例では、図形パターン３５１は使用されない。 図８Ａおよび８Ｂから分かるように、不均一サイズのサイクル３５２ａ〜ｃは、 所定の波形３５６の不均一な電気サイクル３５８ａ〜ｃにそれぞれ対応する。波 形３５６は、図形サイクル３５２ａ〜ｃとマスク・アパーチャ３５４ｂの形を決 定するために使用される波形関数３５６を示す。また、波形関数３５６は、たと えば可変モータ負荷を駆動するために必要なエンコーダ出力信号の形を表わす。 図８Ｃに、図形パターン３５３とマスク・アパーチャ３５４ｂの等価線形表現（ Ｘ−Ｙ）を示す。図８Ｃに示したように、マスク・アパーチャ３６０はアパーチ ャ３５４ｂに対応し、図形パターン３６２はパターン３５３に対応し、図形サイ クル３６４ａ〜ｃはサイクル３５２ａ〜ｃに対応する。 図９、図１０および図１１Ａ〜Ｆに、波形関数とそれに対応して符号化された ディスクとマスクのさらに他の例を示す。図９において、１物理運動サイクル（ たとえば、３６０°の１回転）ごとに１つの電気サイクルを有する台形波形関数 ４００を示す。図形パターン４０２とマスク・アパーチャ４０４の形状が、波形 関数４００から決定される。さらに、図１０に、１回転当たり１電気サイクルを 有する三角波形関数５００を示す。図形パターン５０２とマスク・アパーチャ５ ０ ４の形状が、波形関数５００から決定される。 次に、図１１Ａ〜Ｆを参照すると、特定の波形関数とそれに対応するエンコー ダ・マスクとエンコーダ・ディスクの構成が示されている。エンコーダ・マスク とディスクの構成は、前述の代数的エリア・フィル方程式によって計算された。 図１１Ａと図１１Ｂは、全く異なる２つのマスクとディスク図形によって、特定 の三角波形５５０を作成できることを示す。図１１Ａに示したように、マスク・ アパーチャ５５２と図形パターン５５４を使用して、三角波形５５０が作成され る。図１１Ｂにおいて、マスク・アパーチャ５５６と図形パターン５５８を使用 して、同じ三角波形５５０が作成される。 同様に、図１１Ｃと１１Ｄは、異なる２つのマスクとディスク図形によって特 定の正弦波形５６０を作成することができることを示す。図１１Ｃにおいて、マ スク・アパーチャ５６２が図形パターン５６４と共に使用され、正弦波形５６０ が作成される。図１１Ｄにおいて、マスク・アパーチャ５６６は、図形パターン ５６８と共に使用され、同じ波形５６０が作成される。 また、図１１Ｅと図１１Ｆは、他の所望の波形を作成するさらに他のマスクと ディスクの図形的な組合せを示す。図１１Ｅにおいて、下が丸い台形波形５７０ が、マスク・アパーチャ５７２と図形パターン５７４によって作成される。図１ １Ｆにおいては、複雑な波形５７６が、マスク・アパーチャ５７８と図形パター ン５８０によって作成される。 次に、図１２Ａ〜Ｃを参照すると、三相エンコーダの例が示されている。図１ ２Ａに示したように、円形のエンコーダ・ディスク６００には、同軸に配置され た、角度がずれた３つの図形パターン６０２ａ〜ｃが含まれている。この例にお いて、パターン６０２ａ〜ｃはそれぞれ、３つの同一の図形サイクルを含み、モ ータ軸の１回転当たり３つの均一な電気サイクルを作成する。図８、図９、図１ ０および図１１Ａ〜Ｆに示したように、図形パターンは様々な方法で構成するこ とができることを理解されたい。 それぞれの図形パターン６０２ａ〜ｃは、ディスク６００上の３６０物理角度 の円形トラックに沿って配置される。各パターンにおける各図形サイクルは、関 連した波形関数の３６０電気角度に対応する。１パターン当たり３つの均一な図 形サイクルがある場合、パターン６０２ａ〜ｃはそれぞれ、１０８０電気角度に 等しい、３６０電気角度の３倍を表す。したがって、波形の所望の電気的移相を 達成するために、所望の電気的移相（電気角度）を図形パターンにおける図形サ イクルの数で割ったものと等しい物理角度数だけ、対応する図形パターンの角度 をずらさなければならない。したがって、この例において、１２０°の移相が必 要な場合は、図形パターンの位置は、１２０°／３サイクル＝４０物理角度だけ 角度がずらされることになる。 図１２Ａを参照すると、パターン６Ｏ２ｂは、１２０°の移相を達成するため に、パターン６０２ｃに対して４０°だけ角度がずらされている。パターン６０ ２ａは、２４０°の移相を達成するために、パターン６０２ｃに対して８０°だ け角度がずらされている。図１２Ｂに示したように、マスク６０４は、３組のマ スク・アパーチャ６０３ａ〜ｃを含む。６０３ａの組のアパーチャは、互いに半 径方向にそろえられ、それぞれのパターン６０２ａ〜ｃと位置が合うように離間 される。図１２Ｃは、作成されたパターン６０２ａ〜ｃに使用される、位相がず れた波形関数のプロットであり、エンコーダの位相がずれた電気信号出力も表す 。波形６０６ａは、波形６０６ｃと２４０電気角度だけずらされ、波形６０６ｂ は、６０６ｃと１２０電気角度だけずらされている。 図１３Ａ〜Ｃに、もう１つの三相の例を示す。図１３Ａに示したように、エン コーダ・ディスク６１０は、エンコーダ・ディスク６００（図１２Ａ）に含まれ るものと同一の３つの図形パターン６１２ａ〜ｃを含む。この例において、０° 、９０°および１８０°位相のずれた波形が必要とされる。マスク６０４(図１ ２Ｂ)を変更または物理的に回転させてアパーチャ・セット６０３ｃを利用する と、同じエンコーダ・ディスクを使って、この異なる組の位相のずれを得ること ができる。図１３Ｂに示したように、マスク６１４は、マスク６０４と同一であ るが、９０物理角度だけ時計回りに回転されている。マスク６１４のアパーチャ ・セット６０３ｃは、それぞれ０°、−１０°および−２０°だけ角度がずらさ れた３つのアパーチャ６１６ａ〜ｃを含む。 アパーチャ６１６ｂは、アパーチャ６１６ａよりも１０物理角度だけ遅れ、こ の場合、これは−３０電気角度の移相に相当する。−３０°の移相が、パターン ６１２ｂに奇与する＋１２０°の移相に加えられ（図１３Ａ）、所望の９０°の 移相が得られる。アパーチャ６１６ｃは、−６０電気角度の移相に相当する２０ 物理角度だけアパーチャ６１６ａよりも遅れる。−６０°の移相は、パターン６ １２ｃに奇与する＋２４０°の移相に加えられ、所望の１８０°の移相が得られ る。アパーチャ６１６ａは、移相には寄与せず、それにより、パターン６１２ａ は、所望の０°の移相を作り出す。 図１３Ｃは、図形パターン６１２ａ〜ｃとアパーチャ・セット６０３ｃに対応 する位相のずれた波形関数を示す（図１３Ａと図１３Ｂ）。波形６１８ｃは、パ ターン６１２ｃとアパーチャ６１６ｃに対応し、波形６１８ａから１８０電気角 度ずらされており、波形６１８ｂは、パターン６１２ｂとアパーチャ６１６ｂに 対応し、波形６１８ａから９０電気角度ずらされている。波形６１８ａは、パタ ーン６１２ａとアパーチャ６１６ａに対応する。 マスクが、いくつかの異なるアパーチャ・セットを含み、それぞれを特定の用 途に選択できる多機能でもよいことを示してきた。たとえば、図１２Ｂと図１３ Ｂのアパーチャ・セット６０３ａ〜ｃにより、単一のエンコーダが、図１２Ｃと 図１３Ｃに示したような、様々なセットの移相信号を作成することができる。そ れぞれの信号のセットは、マスク・アパーチャ・セット６０３ａ〜ｃの位置を手 動で調整し、２組のフォトトランジスタを電子的に切り換えるか、多数の組の検 出器から信号を出力することによって、選択することができる。 図１４Ａ〜Ｄと図１５Ａ〜Ｄに、図形的に整形されたアパーチャによってマス クを構成する方法を示すさらに他の例を示す。図１４Ａにおいて、エンコーダ・ ディスク６２０は、等しく離間された６つのアパーチャ６２２（６０物理角度間 隔）の図形パターンを含む。ディスク６２０は回転ディスクである。図１４Ｂは 、静止しているように意図されたマスク６２４を示す。マスク６２４は、正弦波 波形を生成するようにエリア・フィル方程式に従って整形された細長いアパーチ ャ６２６を含む。マスク６２４の後ろには、アパーチャ６２６全体にわたる光検 出器のアレイ６２８がある。あるいは、アレイ６２８を単一の細長い光検出器で 代用することもできる。アレイの場合は、アレイ６２８の出力を様々な方法で組 み合わせて、単一の波形信号や一連の信号波形を作成することができる。エンコ ー ダ・ディスク６２０は、マスク６２４に対して回転し、各アパーチャ６２２は、 アパーチャ６２６を横切って走査し、正弦波波形サイクルを生成する(単一の検 出器または検出器の直列接続アレイを使用する場合)。図１４Ｃは、図１４Ａと 図１４Ｂのエンコーダ・ディスクとマスク装置に対応する６サイクルの波形関数 ６３０を示す。図１４Ｄは、図１４Ａと図１４Ｂのエンコーダ・ディスクとマス ク装置の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。アパーチャ６３２は、図１４Ａのエン コーダ・ディスク６２０のアパーチャ６２２に対応し、アパーチャ６３４は、図 １４Ｂのマスク６２４のアパーチャ６２６に対応する。 図１５Ａ〜Ｄは、図１４Ａ〜Ｄの装置と等価な装置を示す。図１５Ａにおいて 、エンコーダ・ディスク６４０は、等しく離間された（１２０°間隔）３つのア パーチャ６４２の図形パターンを含む。図１５Ｂに示したように、マスク６４４ は、１８０°離間された一対の図形的に整形されたアパーチャ６４６および６４ ８を含む。マスク６４４の後ろには、アパーチャ６４６全体を走査する光検出器 のアレイ６５０（または、単一の細長い検出器）があり、その出力は、結合する ことができる。同様に、光検出器のアレイ６５２（または、単一の検出器）が、 アパーチャ６４８の後ろに配置され、アレイ６５２の出力は結合され、アレイ６ ５０の合成出力と結合されて、単一の電気信号出力を生成することができる。図 １５Ｃは、図１５Ａ〜Ｂのエンコーダ・ディスク／マスク装置に対応する６サイ クル波形関数６５４を示す。図１５Ｄは、図１５Ａ〜Ｂの循環エンコーダ・ディ スクとマスク装置の等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。アパーチャ６５６は、図１ ５Ａのエンコーダ・ディスク６４０のアパーチャ６４２に対応し、アパーチャ６ ５８は、図１５Ｂのマスク６４４のアパーチャ６４６および６４８に対応する。 エンコーダ・ディスクの１回転当たり非整数の電気的サイクルを生成すること が望ましい応用例では、エリア・フィル方程式によって生成される図形形状に、 ある一定の図形的補正を必要とすることがある。図１７Ｂに示したように、不均 一な波形関数のために図形形状を作成するときも、図形的補正を必要とすること がある。この補正は、不均一なまたは非整数サイクルを含む波形関数が、繰り返 されるごとに（すなわち、エンコーダ・ディスクの回転ごとに）不連続点を生成 することがあるために必要とされる。図１６Ａ〜Ｆは、課題とそれを補正する一 つの手法を示す。 図１６Ａにおいて、正弦波波形関数７００は、１回転当たり３．４２８サイク ルを有する。図１６Ｂは、この関数が３回繰り返され（３回転を表わす）、それ ぞれの回転の終わりに不連続点７０２が生じることを示す。これを補正するため に、波形関数７００は、図１６Ｃ（移相波形７０４）に示したような約−９０度 （実際には、−０．４２８サイクル）だけ位相がずらされる。図１６Ｄにおいて 、位相がずらされた波形７０４が３回繰り返される。見て分かるように、それぞ れの回転の終わりの不連続点７０６は小さくなっている。しかしながら、各回転 の終わりにはまだ鋭いスパイクがある。これらのスパイクは、エンコーダ・ディ スクおよび／またはマスク上の最終的な形を、経験的かつ図形的に整形すること によって滑らかにすることができる。図１６Ｅは、エンコーダ・ディスクおよび マスクを経験的に調整した図形形状から得た波形関数７０８を示す。波形７０８ の始点と終点が波形７０４よりも丸くなっていることに注意されたい。図１６Ｆ において、図１６Ｂと図１６Ｄに示された不連続点が小さくなったことを示すた めに、波形７０８が３回繰り返される。補正された図形関数によって作成された 電気信号波形は、図１６Ｆの繰り返しプロットと類似する。前述の補正方法は、 エンコーダ・ディスクおよび／またはマスク・アパーチャに含まれる図形パター ンの固有の位置的調整によって波形の位相をずらす必要がある。 図１７Ａに、不連続点を補正するために図形的に調整されたエンコーダ・ディ スクの例を示す。エンコーダ・ディスク７５０は、３つの図形サイクル７５２ａ 〜ｃを有する図形パターンを含む。波形関数７５４（図１７Ｂを参照）が、ディ スク７５０上に符号化される。図１７Ｂに示したように、波形７５４は、始点７ ５６と終点７５８を持つ不均一な関数である。図示したように、これらの点は異 なる高さにあり、関数が繰り返されたときに不連続点を生成する。この場合、図 １６Ａ〜Ｆに関連して前述した方法の移相段階は、波形の不均一性のために使用 することができない。しかしながら、始点７５６または終点７５８あるいはその 両方を調整して、不連続性を最小にすることができる。 寸法「ｙ」（図２を参照）における入射放射エネルギー・パターンの調整によ り、必要な補正が達成される。この例では、調整は、図１７Ａの拡大図に示した ように、ディスク７５０上の図形パターンを修正することにより行われる。図１ ７Ａの拡大図において、点ＬＣにおける図形サイクル７５２ａと７５２ｃの間の 無補正のつなぎ目を実線で示す。図形的に補正したつなぎ目を点線で示す。この 場合、図形的な補正は、図形サイクル７５２ａおよび７５２ｃの個々の端部を連 続的な図形的遷移Ｙ１に合わせる段階からなる。この補正により、始点７５６（ 図１７Ｂを参照）のレベルが上昇し、終点７５８により近くなる。図１７Ｃは、 エンコーダ・ディスク７５０上の無補正の図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ ）を示し、図１７Ｄは、補正した図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す 。図１７Ｃのパターン（点７５６と７５８）と図１７Ｄのパターン（点Ｙ１とＹ １）の違いに注意されたい。図１７Ｄの点Ｙ１とＹ１は一致している。 図１８と図１９に、本発明の光学的エンコーダの好ましい構造を示す。示した 構造は、（外部の）支援を加えずにモータの軸に直接結合することができる、軽 量で小断面のエンコーダを提供するため好ましい。環状のスリーブ形カプラ８０ ２は、エンコーダ８００が制御するように意図されたモータの軸８０３（図１９ を参照）にちょうどはまるように寸法が決められる。カプラ８０２は、止めねじ ８０４によって適切な位置に固定される。カプラ８０２は、軽量でしかも頑丈な 金属で作成することができる。カプラ８０２は、軸８０３に締りばめするような 寸法の内径８０５を有する。カプラ８０２の他端は、別の止めねじ（図示せず） やロックタイトや接着剤などによって、スピンドル軸８０６に接続される。 さらに図１８と図１９を参照すると、スピンドル軸８０６は、軸受アセンブリ ８０８を含むスピンドル・システムの一部である。図１９により明確に示したよ うに、軸受アセンブリ８０８は、２つの隣接した軸受要素８１０および８１２を 含む。これらの要素は、それぞれ内部レース８１１および８１３を含む。各軸受 要素は、内部レースの周囲に等間隔で離間された１０個の玉軸受８１４（各要素 につき２つを示した）を含む。軸受要素８１０および８１２は、それぞれ外部レ ース８１６を含む。 図１８において、軸受アセンブリ８０８は個別の構成要素として示されている 。しかしながら、好ましい実施例においては、軸受アセンブリ８０８は、エンコ ーダ・ハウジング８１８内に一体的に成形される。用途により、軸受アセンブリ ８ １８は、スリーブまたはプラスチック・ブッシングと交換することもできる。エ ンコーダ・ハウジング８１８は、成形プラスチックやその他の適切な成形材料か らなる。 ハウジング８１８と軸受アセンブリ８０８を一体的に成形する技術により、よ り正確で小型、軽量のスピンドル・システムが可能になる。装置を一体的に成形 することにより、軸受アセンブリ用の機械加工ハブ、ワッシャ、スペーサ、その 他の支持体が不要になる。この技術により、軸受をハウジングのハブに固定する 組み立て段階がなくなり、したがって、位置合わせの問題と高精度に機械加工し たハブ・スピンドル構成要素を使用する必要性が回避される。 図１８と図１９をさらに参照し、エンコーダ８００の内部構成要素を説明する 。円盤状ＬＥＤまたは発光体回路カード８２０が、ハウジング８１８の内側には められ、中心に穴８２１があけられている。カード８２０には、コリメーティン グ・レンズ８２３（図１９）と共に、好ましくは赤外線のＬＥＤ発光体要素８２ ２が取り付けられる。代替実施例において、複数の発光体要素８２２を使用する ことができる。また、必要に応じて、他の構成要素をカード８２０に取り付ける こともできる。図１８と図１９の実施例において、カード８２０には抵抗が取り 付けられ、直流電源とＬＥＤの間に直列に接続される。 回転運動するエンコーダ・ディスク８２６を支持するためにフランジ８２４が 使用される。エンコーダ・ディスク８２６は、組み立て中に、位置決めピン・ツ ールを使ってフランジ８２４に位置合わせされ取り付けられる。このフランジ８ ２４とエンコーダ８２６のアセンブリは、軸受アセンブリ８０８の内部レース内 に軸８０６をプレスばめした後で、スピンドル軸８０６の自由端に取り付けられ る。エンコーダ・ディスク８２６は、多くのメーカから市販されている接触光透 明材料または薄膜を有する透明基板から作成することができる。図形的に整形さ れた光学窓パターンは、集積回路基板技術において周知の標準的な接触写真プロ セスによって、ディスク８２６の薄膜上に印刷される。本質的には、エンコーダ ・ディスク８２６の表面全体が、光学窓パターンを除いて黒色乳剤で印刷される 。図８Ａに示したように、逆の画像を使用することもできる(すなわち、透明基 体上に不透明部分がある)。ほとんどの用途では、印刷解像度が１インチ当たり １， ０００ドット以上であることが好ましい。しかしながら、３サイクルのエンコー ダ・ディスクにおいては、１インチ当たり３００ドットの解像度を有するレーザ ・プリンタでも許容可能な性能を得ることができた。 図１８と図１９に示したように、スペーサ・リング８２８が、回路カード８２ ０に対して挿入される。また、リング８２８も成形されるが、ハウジング内の別 のへこんだ段でもよい。円盤の形に成形されたマスク８３０が、マスク基板８３ ２に取り付けられる。マスク８３０は、エンコーダ・ディスク８２６と同じ薄膜 材料で作成される。また、マスクは、エンコーダ・ディスク８２６について前述 したように印刷される。マスク基板８３２は、マスクを通過する必要な光経路を 保証する穴８３３を含む。一般に、基板８３２は、いくつかの光経路を提供する いくつかの穴を含むことがある。また、マスク８３０は、組み立て前の段階で軸 ８０６と位置合わせされる。完成したアセンブリでは、スペーサ・リング８２８ が、回路カード８２０とマスク８３０の間にある。エンコーダ・ディスク８２６ とマスク８３０の物理的距離は、主にディスク８２６上に印刷された図形サイク ルの数と光経路要素により、通常、０．００４〜０．０２０インチである。 基板８３２の反対側には、基板８３２の穴８３３と位置合わせされた穴８３５ を有する第２の回路カード８３４が取り付けられる。多チャネルの実施態様にお いて、カード８３４の穴８３５の数と基板８３２の穴８３３の数は一致する。カ ード８３４の空いている側には、レンズ８３７を含むフォトトランジスタ８３６ が取り付けられ、アパーチャ８３５と位置合わせされる。また、カード８３４に は、電位差計（図示せず）が取り付けられる。１つの実施例において、フォトト ランジスタ８３６のエミッタがアースされ、そのコレクタが、電気信号出力とし て働く。電位差計はアースと直流電源の間に接続される。電位差計の可動接点は 、コレクタの出力に接続される。エンコーダのパッケージは、ハウジング８１８ と類似の成形材料からなるカバー８３８によって完成される。 図１８と図１９に示したように、一対のアンカー・タブ８４０および８４２が 、ハウジング８１８とカバー８３８から突出し、回転防止クリップ（後述する） によってハウジングを固定し、ハウジング８１８が軸と一緒に回転するのを防ぐ ことができる。この機能を、図２０〜図２４を参照して説明する。 図２０〜図２４を参照し、光学的エンコーダをモータへ取り付ける方法を説明 する。図２０において、本発明により構成された光学的エンコーダ９００は、モ ータ９０６の後部軸９０４と位置合わせされたカプラ９０２を含む。カプラ９０ ２に含まれる孔の内径は、滑りばめのために軸９０４の外径と一致するように機 械加工される。必要に応じて、（エンコーダ・ディスクを回転する）カプラ９０ ２を軸９０４上の適切な角度位置まで回転させることによって、エンコーダ９０ ０の内部のエンコーダ・ディスクの角度位置を、モータ極と合わせることができ る。カプラ９０２は、止めねじ９０８によって軸９０４に固定される。 図２１〜図２２に示したように、回転防止クリップ９１０は、エンコーダ９０ ０から突出するアンカー・タブのうちの１つに引っ掛かる。クリップ９１０の他 端は、モータ９０６に直接固定された既存のねじまたはボルトに留めることがで きる。しかしながら、クリップ９１０をモータ９０６に合わせて取り付けること が好ましい。これは、図２１〜図２２に示したように、スタンドオフ９１２をモ ータ９０６にねじで取り付けることによって達成することができる。図２２に示 したように、スタンドオフ９１２は、エンコーダ９００に対して接線方向に位置 決めすべきである。この取り付け方によって、エンコーダの「角度方向の移動誤 差」を防ぎ、より高い精度が保証される。 図２１に示したように、エンコーダ９００は、モータにボルトて固定されたカ バー９１４内に収容することができる。カバー９１４は、たとえば「堅牢」にさ れ、通気され、モータ・エンコーダのアライメントと性能に影響を与えたり変化 させたりすることなく任意の方法でモータに取り付けられてもよい。任意選択と して、電力増幅器９１６をカバー９１４の内壁に取り付けて、エンコーダからの 出力信号を増幅するために使用することができる。 図２３Ａ〜Ｂは、それぞれ、回転防止クリップ９１０の側面図と平面図である 。クリップ９１０は、たとえば、直径０．０３７インチのスプリング・テンパー や３０２ ＳＳワイヤなどでできていてもよい。図２３Ａに示したように、クリ ップ９１０は、クリップ９１０をモータ、スタンドオフまたはブラケットに取り 付けるために使用される取付けループ９１１ａを含む。図２３Ｂに示したように 、クリップ９１０は、また、エンコーダ９００のハウジングから突出するアンカ ー ・タブに引っかかるアンカー・ループ９１１ｂも有する。 図２４に示したように、回転防止クリップ９１０は、エンコーダ・ハウジング の回転位置と、したがってエンコーダ・ディスクに対するマスクの位置を調整す るための調整アームとして機能することもできる。そのような調整は、エンコー ダ９００を位置合わせし固定した後、マスクの位置をモータの巻線に対して微調 整するために望ましい。この調整により、エンコーダ信号の時間を適切に調整し 、最適なトルクと電力調整のためにモータ巻線を進めたり遅らせたりすることが できる。図２４に示したように、スタンドオフ９１２は、直立ブラケット９１２ ａと取り替えられている。ブラケット９１２ａは、その遠端でボルト９１８が挿 入され、ナット９２０が、回転防止クリップ９１０の端を保持している。エンコ ーダ９００の角度調整は、クリップ９１０を、エンコーダ９００に対して接線方 向の経路に沿って移動させるようにボルト９１８を回転するだけで達成される。 前述のように、ある一定の用途では、モータ軸の回転ごとに非整数サイクルを 有する信号によって交流モータを駆動することが好ましい。前述の例においては 、モータがその定格速度（同期速度よりも低い）で動作しているときにエンコー ダからの６０Ｈｚの電力信号周波数を達成するためには、１回転当たり３．４２ ８サイクルの信号が望ましい。エンコーダ・ディスク上に３．４２８サイクルの 波形関数を符号化することが提案された。図２５Ａ〜図２５Ｂは、図形パターン ９５２を含むエンコーダ・ディスク９５０の上面図を示す。図形パターン９５２ は、２．６電気サイクルの光学的に符号化された波形関数を表わす。図２５Ｂは 、パターン９５２としてディスク９５０上に図形的に符号化された波形関数９５ ４を示す。点Ｌａ、Ｐａ、Ｌｂ、Ｐｂ、ＬｃおよびＰｃは、図形パターン９５２ に沿った角度位置（図２５Ａを参照）を示し、それと対応する点Ｌａ、Ｐａ、Ｌ ｂ、Ｐｂ、ＬｃおよびＰｃが波形関数９５４上にマークされている(図２５Ｂを 参照)。図２５Ｂに示したように、波形関数９５４の始点Ａは、関数の終点Ｂと 一致する。 次に、図２６Ａ〜Ｂを参照し、非整数波形を生成する別の方法を示す。図２６ Ａにおいて、エンコーダ・ディスク９５６は、２つの図形パターン９５７ａと９ ５７ｂおよびロケータ・アパーチャ９５７ｃとを有する。図形パターン９５７ａ 〜ｂは、それぞれ３．５電気サイクルを有する波形関数を表わす。エンコーダ・ ディスク９５６が物理的に３６０°回転するごとに、ロケータ・アパーチャ９５ ７ｃによって１つの遷移信号が生成される。基本回路と結合されたそれぞれの遷 移信号によって、エンコーダの波形出力は、パターン９５７ａと９５７ｂに交互 に切り替えられる。図２６Ｂに、この方法の連続的な波形出力を示す。見て分か るとおり、この例は、ディスク９５６が物理的に３６０°だけ完全に２回転する ごとに完全な７電気サイクルを生成する、すなわち１回転ごとに３．５電気サイ クルを生成する。同心図形パターンの数と各パターンの図形サイクル数を変化さ せれば、この方法で、他の非整数の波形サイクルを生成することができる。 図２７Ａ〜Ｂは、１回転当たりの非整数サイクルの信号を生成する代替方法を 示す。この代替方法では、所望の波形が、単に複数の波形を組み合わせることに よって電気的に得られる。たとえば、図２７Ａに示したように、入力Ａにおける 信号９６０は、周波数Ｆ１を生成する１回転当たりＮ１サイクルを持つ。入力Ｂ における信号９６２は、周波数Ｆ２を生成する１回転当たりＮ２サイクルを持つ 。信号９６０と９６２を様々な方法で組み合わせると、さらに他の周波数Ｆｎを 生成することもできる。このような様々な「新しい」周波数Ｆｎは、当技術分野 の標準的な多くの周波数混合方法から得ることができる。しかしながら、本発明 のエンコーダによって生成される出力信号のいくつかの非線形的性質（すなわち 、可変振幅、位相、デューティ・サイクルなど）により、１電気サイクルまたは「 Ｎ」サイクルにわたる電気サイクルの両方で、他の新しい周波数を実現できるは ずである。 また、本発明によれば、そのような周波数（サイクルまたは波形）を、エンコ ーダの内部または外部で「共用」することができる。図２７Ａ〜Ｂは、２つだけ の信号を組み合わせるための簡単な方法を示す。これらの２つの信号は、電位差 計９６４と結合され、電位差計９６４の出力Ａ／Ｂは、新しいサイクル数の信号 を生成する。図２７Ａに示したように、図２７Ａの回路網から、信号９６０と９ ６２の様々な組み合わせを得ることができる。 図２７Ａに示したような電気的な組み合わせ、修正および加算方法を利用して 、本発明のエンコーダからの出力信号をさらに整形することもできる。図２７Ａ に 示したように、三角形波形９６６を正弦波波形９６２と組み合わせて、出力Ｂ／ Ｃにおいて様々な整形波形を得ることができる。図２７Ａは、波形関数の簡単で 「受動的」な修正方法を示す。他の多くの方法で、波形タイプと数学的導出を整 形、強化、組み合わせることができるが、この独特の波形作成方法なしにはこれ まで作成することができなかった。 図２７Ｂは、同様の波形結合回路網を示し、入力Ｄの振幅可変関数９６８を、 入力Ｅの任意関数９７０と組み合わせて、Ｄ／Ｅに固有の波形出力を生成する機 能を示す。また、図２７Ｂに示したように、波形出力Ｄ／Ｅを、周波数可変波形 ９７２と組み合わせて、出力Ｆ／（Ｄ／Ｅ）を生成することもできる。 本発明の好ましい実施例を、特に、明細書に記載し図面に例示したが、本発明 はそれに制限されないことを理解されたい。併記の請求の範囲に定義されたよう な、本発明の精神および範囲から逸脱しない本発明の多くの修正、等価物および 適応は、当業者には明らかであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気機械的装置の周期的運動を、所定の波形を有する少なくとも１つの電気 信号に変換するための光学的エンコーダ装置であって、 入射放射エネルギーのパターンに応答して、前記入射放射エネルギーから電 気信号を生成する光検出手段と、 前記光検出手段と光学的に位置合わせされ、装置の周期的運動によって作動 するように構成され、光学的関数にしたがって、前記光検出手段における入射放 射エネルギーのパターンを複数の方向に修正する光学的プログラム手段と、を備 え、 前記光学的プログラム手段が、光学的に検出可能な図形パータンを含む光学 要素と、放射エネルギーのパターンを前記光検出手段まで通過させるアパーチャ 手段とを含み、前記光学的関数が、装置の周期的運動に従って一方が他方に対し て走査されるような前記図形パターンと前記アパーチャ手段の光学的作用の組合 せによって実現された図形関数を含み、 前記光検出器手段が、光電応答を有し、前記応答と前記光学的関数の積が、 所定の波形を定義し、 それにより、前記入射放射エネルギーの修正されたパターンが、前記光検出 器手段によって、前記所定の波形を有する電気信号に変換される光学的エンコー ダ装置。 ２．入射放射エネルギーのパターンに応答して、前記入射放射エネルギーから電 気信号を生成する第２の光検出手段をさらに備え、 前記光学的プログラム手段が、前記第２の光検出手段と光学的に位置合わせ され、前記第２の光検出手段における入射放射エネルギーの第２のパターンを、 第２の光学的関数に従って、複数の方向に修正するように機能し、 前記光学的プログラム手段の光学要素が、第２の光学的検出可能な図形パタ ーンを含み、前記光学的プログラム手段が、さらに、放射エネルギーのパターン を前記第２の光検出手段まで通過させる第２のアパーチャ手段を含み、前記第２ の光学的関数が、装置の周期的運動に従って一方が他方に対して走査され るような前記第２の図形パターンと前記第２のアパーチャ手段の光学的作用の組 合せによって実現される第２の図形関数を含み、 前記第２の光検出器手段が、光電応答を有し、前記応答と前記第２の光学的 関数の積が、実質上第２の所定の波形を定義し、 それにより、入射放射エネルギーの前記第２の修正パターンが、前記第２の 光検出器手段によって、前記第２の所定の波形を有する第２の電気信号に変換さ れることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学的エンコーダ。 ３．前記光学的プログラム手段が、さらに、放射エネルギーを放射する発光体手 段を含み、前記放射エネルギーが、前記光検出手段に結合されて、その上に入射 放射エネルギーの少なくとも１つのパターンを形成することを特徴とする請求の 範囲第１項に記載の光学的エンコーダ装置。 ４．入射放射エネルギーのパターンに応答して、前記入射放射エネルギーから電 気信号を生成する第３の光検出手段をさらに備え、 前記光学的プログラム手段が、前記第３の光検出手段と光学的に位置合わせ され、前記第３の光検出手段における入射放射エネルギーの第３のパターンを、 第３の光学的関数に従って複数の方向に修正するように機能し、 前記光学的プログラム手段の光学要素が、第３の光学的検出可能な図形パタ ーンを含み、前記光学的プログラム手段が、さらに、放射エネルギーのパターン を前記第３の光検出手段まで通過させる第３のアパーチャ手段とを含み、前記第 ３の光学的関数が、装置の周期的運動に従って一方が他方に対して走査されるよ うな前記第３の図形パターンと前記第３のアパーチャ手段の光学的作用の組合せ によって実現される図形関数を含み、 前記第３の光検出器手段が、光電応答を有し、前記応答と前記第３の光学的 関数の積が、実質上第３の所定の波形を定義し、 それにより、入射放射エネルギーの前記第３の修正パターンが、前記第３の 光検出器手段によって、前記第３の所定の波形を有する第３の電気信号に変換さ れることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の光学的エンコーダ。 ５．前記光学要素の図形パターンが、少なくとも１つの光学的に検出可能でかつ 図形的に整形されたサイクルを含むことを特徴とする請求の範囲第３項に記載 の光学的エンコーダ装置。 ６．前記光学要素の図形パターンが、光学的に検出可能でかつ図形的に整形され た複数の領域を含むことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学的エンコー ダ装置。 ７．前記図形関数が、等価な波形関数の変換であり、前記光学要素の図形パター ンが、実質上、前記等価な波形関数を定義することを特徴とする請求の範囲第３ 項に記載の光学的エンコーダ装置。 ８．前記図形関数が、等価な波形関数の変換であり、前記アパーチャ手段が、実 質上、前記等価な波形関数を定義することを特徴とする請求の範囲第３項に記載 の光学的エンコーダ装置。 ９．前記図形関数が、装置の運動サイクルにわたって定義された周期的波形関数 の変換であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学的エンコーダ装置 。 １０．前記電気信号の位相は、装置の運動サイクルの特定の点における、前記ア パーチャ手段の位置に対する前記図形のパターンの位置によって決定されること を特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学的エンコーダ装置。 １１．電気機械装置の周期的運動が回転運動であることを特徴とする請求の範囲 第３項に記載の光学的エンコーダ装置。 １２．第１、第２および第３の所定の波形が周期的な波形であり、装置の運動サ イクルの特定の点における、前記第１、第２および第３のアパーチャ手段の位置 に対する前記第１、第２および第３の図形パターンの位置により、前記第１、第 ２および第３の電気信号の相対位相が決定され、それにより、前記図形パターン の位置が、前記第１から前記第２に、前記第２から第３の図形パターンに徐々に ずれることによって、それに対応して前記第１、第２および第３の電気信号の相 対位相がずれることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光学的エンコーダ装 置。 １３．前記少なくとも１つの図形的に整形されたサイクルが、放射エネルギーが 通過できる光学窓であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光学的エン コーダ装置。 １４．前記アパーチャ手段が、所定の図形的形状を有するアパーチャを含み、前 記図形的に整形されたアパーチャが、実質上、前記等価的な波形関数を定義する ことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の光学的エンコーダ装置。 １５．前記エンコーダ装置によって生成された前記電気信号が、少なくとも１つ の周波数成分を有することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光学的エンコ ーダ装置。 １６．前記等価的な波形関数が、少なくとも１つのサイクルを含み、前記電気信 号が、前記等価的な波形関数のサイクル数に装置の周期的運動の周波数を掛けた ものに等しい周波数を有することを特徴とする請求の範囲第１５項に記載の光学 的エンコーダ装置。 １７．前記等価的な波形関数に含まれるサイクルの数が、１よりも大きな非整数 であることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の光学的エンコーダ装置。 １８．電気機械的装置の周期的運動を、所定の波形を有する少なくとも１つの電 気信号に変換するための光学的エンコーダ装置であって、 入射放射エネルギーのパターンに応答して、前記入射放射エネルギーから電 気信号を生成する光検出手段と、 前記光検出手段と光学的に位置合わせされ、装置の周期的運動によって作動 するように構成され、前記光検出手段における入射放射エネルギーの複数のパタ ーンを、光学的関数にしたがって複数の方向に修正する光学的プログラム手段と 、を備え、 前記光学的プログラム手段が、光学的に検出可能な図形パータンを含む光学 要素と、放射エネルギーの複数のパターンを前記光検出手段まで通過させるアパ ーチャ手段とを含み、前記光学的関数が、装置の周期的運動に従って一方が他方 に対して走査されるような前記図形パターンと前記アパーチャ手段の光学的作用 の組合せによって実現される図形関数を含み、 前記光検出器手段が、光電応答を有し、前記応答と前記光学的関数の積が、 実質上所定の波形を定義し、 それにより、入射放射エネルギーの前記修正されたパターンが、前記光検出 器手段によって、前記所定の波形を有する電気信号に変換されることを特徴と する光学的エンコーダ装置。 １９．電気機械的装置の周期的運動を、それぞれの所定の波形を有する複数の電 気信号に変換する光学的エンコーダ装置であって、 それぞれ入射放射エネルギーのパターンに応答して、そのパターンから電気 信号を生成する複数の光検出手段と、 前記複数の光検出手段と光学的に位置合わせされ、装置の周期的運動によっ て動作するように構成され、前記光検出手段のそれぞれにおける入射放射エネル ギーのパターンを、関連付けられた光学的関数にしたがって、複数の方向に修正 する光学的プログラム手段とを含み、 前記光学的プログラム手段が、光学的に検出可能な複数の図形パータンを含 む光学要素と、それと対応する複数のアパーチャ手段とを含み、前記アパーチャ 手段がそれぞれ、放射エネルギーの少なくとも１つのパターンを前記光検出手段 のそれぞれまで通過させるように構成され、 前記光学的関数がそれぞれ、前記図形的パターンのそれぞれと関連付けられ た図形関数と前記対応するアパーチャ手段とを含み、前記図形関数がそれぞれ、 装置の周期的運動に従って一方が他方に対して走査されるような前記関連付けら れた図形パターンと前記対応するアパーチャ手段の光学的作用の組合せによって 実現され、 それにより、放射エネルギーの前記修正されたパターンが、それぞれ、前記 複数の光検出器手段によって、所定の波形を有する複数の電気信号に変換される ことを特徴とする光学的エンコーダ装置。 ２０．モータの運動から、所定の波形と、モータの巻線に電力を供給するための 周波数と位相の関係を有する電気信号を生成することによって、電動モータの動 作を制御する光学的エンコーダ装置であって、 入射放射エネルギーのパターンに応答して、前記入射放射エネルギーから電 気信号を生成する光検出手段と、 前記光検出手段に光学的に結合され、前記光検出手段における入射放射エネ ルギーのパターンを、複数の方向に、光学的関数に従って修正するための光学プ ログラム手段と、を備え、 前記光学プログラム手段が、光経路によって前記光検出器手段に光学的に結 合された、供給放射エネルギーを放射する発光体手段を含み、さらに、 前記光経路を介して走査するように作成された光学的に検出可能な図形パタ ーンを含み、その動作に基づいて、モータの回転軸によって前記光検出手段に対 して運動するように構成された光学要素を含み、 前記光学的関数が、モータの軸の回転運動に従って前記光検出手段に対して 走査するような前記図形パターンの光学的作用によって実現される図形関数を含 み、 前記光検出器手段が、光電応答を有し、前記応答と前記光学的関数の積が、 所定の波形を定義し、 それにより、入射放射エネルギーの前記修正パターンが、前記光検出器手段 によって、前記所定の波形と周波数の関係を有する電気信号に変換されることを 特徴とする光学的エンコーダ装置。 ２１．前記光学的プログラム手段が、さらに、 前記光学要素と前記光検出手段の間の前記光経路に結合され、放射エネルギ ーの修正パターンを前記光検出手段まで通過させるアパーチャ手段を含み、前記 図形関数が、前記パターンがモータ軸の回転運動に従って前記アパーチャに対し て走査されるような、前記図形パターンと前記アパーチャ手段の光学的作用の組 合せによって実現されることを特徴とする請求の範囲第２０項に記載の光学的エ ンコーダ装置。 ２２．前記図形関数が、少なくとも１つの波形サイクルを含む等価な波形関数の 変換であり、前記波形関数の波形サイクル数が、前記モータの回転子の極対の数 と等しいことを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の光学的エンコーダ装置。 ２３．前記図形関数が、複数の波形サイクルを含む等価な波形関数の変換であり 、前記波形関数の波形サイクルの数が、前記モータの回転子の極対の数よりも多 いことを特徴とする請求の範囲第２１項に記載の光学的エンコーダ装置。 ２４．前記電気信号の相対位相が、モータ軸の特定の回転角度における、前記ア パーチャ手段の位置に対する前記図形パターンの位置によって決定されること を特徴とする請求の範囲第２１項に記載の光学的エンコーダ装置。 ２５．前記光学要素が、モータ軸の回転に従って中心軸点のまわりに回転するよ うに構成された光学的エンコーダ・ディスクであり、前記光学要素の図形パター ンが、前記ディスク上に中心軸点のまわりに同心に配置されることを特徴とする 請求の範囲第２１項に記載の光学的エンコーダ装置。 ２６．前記光学要素の前記図形パターンが、少なくとも１つの光学的に認識可能 な、図形的に整形されたサイクルを含み、前記少なくとも１つの図形的に整形さ れたサイクルが、図形的変換によって、前記波形関数の前記少なくとも１つの波 形サイクルを実質上、定義することを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の光 学的エンコーダ装置。 ２７．前記アパーチャ手段の位置を、モータ軸の特定の回転角度に関して、前記 図形パターンに対して調整する手段をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第 ２４項に記載の光学的エンコーダ装置。 ２８．前記モータ軸の回転力を前記光学的エンコーダ・ディスクに伝えるための スピンドル手段をさらに含み、前記スピンドルが、第１と第２の端部を有する回 転可能なスピンドル軸を含み、前記エンコーダ・ディスクが、第１の端部の近く で前記スピンドル軸に結合され、前記アパーチャ手段が、図形的に整形されたア パーチャを含むマスク・ディスクとして構成され、前記マスク・ディスクが、第 １の端部の近くで前記スピンドル軸の縦軸と実質上位置合わせされた中心軸点を 有することを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の光学的エンコーダ装置。 ２９．モータの回転力を前記スピンドル手段の軸に結合する手段をさらに含み、 前記カプラ手段が、前記軸の第２の端部において前記スピンドル軸に取り付けら れたことを特徴とする請求の範囲第２８項に記載の光学的エンコーダ装置。 ３０．モータの軸に結合されるように構成され、モータにエネルギーを供給する ために適切な波形と周波数を有する電気信号を生成する電動モータ用の可変速度 制御装置であって、 入射する放射エネルギーのパターンに応答し、前記入射放射エネルギーから 電気信号を生成する光検出手段と 前記光検出手段に光学的に結合され、前記光検出手段における入射放射エネ ルギーのパターンを、複数の方向に、光学的関数に従って修正するための光学的 プログラム手段と、を備え、 前記光学的プログラム手段が、光学的に検出可能な図形パータンを含む光学 要素を含み、前記光学要素が、前記光経路を介して図形パターンを走査するよう に作成されるように、その動作に基づいてモータの回転軸によって前記光検出手 段に対して運動するように構成され、 前記光学的関数が、モータ軸の回転運動に従って前記光検出手段に対して走 査するような前記図形パターンの光学的作用によって実現される図形関数を含み 、前記図形関数が、所定の波形と、信号周波数とモータ軸速度の間の関係とを有 する電気信号を作成するように構成され、 前記光検出器手段が、光電応答を有し、前記応答と前記光学的関数の積が、 所定の波形を定義し、それにより、入射放射エネルギーの前記修正パターンが、 前記光検出器手段によって、前記所定の波形を有する電気信号に変換され、さら に、 前記電気信号の振幅を調整して、モータ軸の速度に対応する調整を有効にす る手段を含み、それにより、前記電気信号の周波数が、前記所定の関係に従って 軸速度によって変化することを特徴とする可変速度制御装置。 ３１．モータの軸に結合されるように構成された光学的エンコーダ装置を使用し て、定格の電力周波数、速度および電源電圧を有する交流モータを動作させる方 法であって、前記装置が、 入射する放射エネルギーのパターンに応答し、前記入射放射エネルギーから 電気信号を生成する光検出手段と、 前記光検出手段に光学的に結合され、モータの回転軸によって動作するよう に構成され、図形関数を含む光学的関数に従って、前記光検出手段における入射 放射エネルギーのパターンを修正する手段であって、前記図形関数が、等価な波 形関数の変換であり、前記波形関数が、モータ軸の１回転にわたる所定数の波形 サイクルによって定義され、前記所定数の波形サイクルが、モータの定格の速度 と電源電圧における定格電力周波数を生成するのに必要な数よりも多 い手段と、を有し、 前記光検出器手段が、光電応答を有し、前記応答と光学的関数の積が、所定 の波形を定義し、それにより、入射放射エネルギーの前記修正パターンが、前記 光検出器手段によって前記所定の波形を有する電気信号に変換され、さらに、 前記電気信号の振幅を調整して、モータ軸の速度において対応する調整を有 効にする手段を含み、それにより、前記電気信号の周波数が、前記所定の関係に 従って軸速度により変化し、 前記方法が、 （ａ）前記エンコーダ装置をモータの軸に結合する段階と、 （ｂ）モータ軸の回転ごとに前記波形関数を実質上繰り返すエンコーダ出力信 号を生成する段階と、 （ｃ）前記エンコーダ出力信号を、モータの定格速度を生成する電圧レベルま で増幅する段階と、 （ｄ）増幅されたエンコーダ出力信号でモータに電力を供給する段階と、 を含む方法。 ３２．（ｅ）エンコーダ出力信号の電圧レベルを変化させて、モータの速度を変 化させ、それによりエンコーダ信号の周波数を指定された周波数まで変化させる 段階をさらに含むことを特徴とする請求の範囲第３１項に記載の交流モータを動 作させる方法。