(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エンコーディングシステムに使用するためのエンコーダであって、
光を放出するように構成された放出器と、
前記放出器により放出された光の少なくとも一部を受光して、３つの出力チャネルを生成するために使用される１つ又は複数の電気信号へ前記受光した光を変換するように構成された検出器とを含み、単一の光トラックを通過した又は単一の光トラックにより反射された少なくとも一方の光を用いて、前記３つの出力チャネルが生成され、前記検出器が、インクリメンタルフォトダイオードのアレイ及びインデックスフォトダイオードを含むセンサ領域を含み、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイが、第１の高さの少なくとも１つのフォトダイオードを含む第１の移行部分、前記第１の高さの少なくとも１つのフォトダイオードを含む第２の移行部分、及び前記第１と第２の移行部分の間に配置された中間部分を含み、前記中間部分が、前記第１の高さより大きい第２の高さの少なくとも１つのフォトダイオードを含み、前記第１及び第２の移行部分の少なくとも一方が、前記中間部分より前記インデックスフォトダイオードに接近している、エンコーダ。
【請求項２】
前記センサ領域が、レプリカのインデックスフォトダイオードを更に含む、請求項１に記載のエンコーダ。
【請求項３】
前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイが、前記インデックスフォトダイオードと前記レプリカのインデックスフォトダイオードとの間に配置される、請求項２に記載のエンコーダ。
【請求項４】
前記インデックスフォトダイオードが、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイにおける１つのフォトダイオードの幅の４倍の幅である、請求項１〜３の何れかに記載のエンコーダ。
【請求項５】
前記３つの出力チャネルが、増分的角度位置を求めるために使用される第１及び第２のチャネル、及び絶対角度位置を求めるために使用される第３のチャネルを含み、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイが、前記第１及び第２のチャネル出力を生成するために使用される電気信号を生成し、前記インデックスフォトダイオードが、前記第３のチャネル出力を生成するために使用される電気信号を生成する、請求項１〜４の何れかに記載のエンコーダ。
【請求項６】
前記検出器が、六角形の外形に構成されたインクリメンタルフォトダイオードのアレイを含むセンサ領域を含む、請求項１〜５の何れかに記載のエンコーダ。
【請求項７】
前記放出器がＬＥＤからなる、請求項１〜６の何れかに記載のエンコーダ。
【請求項８】
前記単一の光トラックが、トラックパターンを備えるトラックを有する符号化要素で提供され、前記トラックパターンが、複数の光学的に区別できるセクションからなり、前記複数の光学的に区別できるセクションが、インデックスバー及び拡張されたウィンドウの少なくとも１つを含む、請求項１〜７の何れかに記載のエンコーダ。
【請求項９】
装置の物理的な動きを電気信号に変換するためのシステムであって、
インクリメンタルフォトダイオードのアレイ及びインデックスフォトダイオードを含むセンサ領域を含むエンコーダを含み、前記センサ領域は、前記装置に機械的に結合された符号化要素の単一の光トラックに近接して配置されるように構成され、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイが、前記符号化要素の増分的位置を求めるために使用され得る電気信号を生成するために使用され、前記インデックスフォトダイオードが、前記符号化要素の定位置を求めるために使用され得る電気信号を生成するために使用され、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイが、中間部分により分離された第１及び第２の移行部分を含み、前記第１及び第２の移行部分の少なくとも一方が、前記中間部分より前記インデックスフォトダイオードに接近している、システム。
【請求項１０】
前記第１及び第２の移行部分が、直線的にテーパ状にされている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１及び第２の移行部分が、湾曲している、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイから受け取った電気信号を、第１及び第２のチャネルで出力される信号に変換するように構成された信号処理回路を更に含み、前記信号処理回路が、前記インデックスフォトダイオードから受け取った電気信号を、第３のチャネルで出力される信号に変換するように更に構成されている、請求項９〜１２の何れかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１及び第２のチャネルが、前記符号化要素の増分的位置を求めるために使用され、前記第３のチャネルが、前記符号化要素の定位置を求めるために使用される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記センサ領域が、レプリカのインデックスフォトダイオードを更に含み、前記インデックスフォトダイオードから受け取った電気信号が、前記レプリカのインデックスフォトダイオードから受け取った電気信号から減算されて、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイから受け取った前記信号に基づいて求められる閾値と比較され、前記閾値との比較が、インデックスパルスを生成するか否かを決定するために使用される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
光エンコーディングシステムであって、
絶対位置の標識により割り込まれた複数の光学的に区別可能なセクションの繰り返しからなるトラックパターンを備えるトラックを有する符号化要素と、
前記符号化要素の前記トラックに入射する光信号を生成するように構成された放出器と、
前記放出器からの光信号を検出するように配置された複数のフォトダイオードを有する光センサ領域を含む検出器とを含み、
前記複数のフォトダイオードが、インクリメンタルフォトダイオードのアレイ、インデックスフォトダイオード及びレプリカのインデックスフォトダイオードを含み、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイが、中間部分により分離された第１及び第２の移行部分を含み、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイが前記インデックスフォトダイオードと前記レプリカのインデックスフォトダイオードとの間に配置され、前記インデックスフォトダイオードが第１のインデックス出力信号を生成し、前記レプリカのインデックスフォトダイオードが第２のインデックス出力信号を生成し、前記第１のインデックス出力信号と前記第２のインデックス出力信号との差が、閾値と比較されて、インデックスパルスを生成するか否かが決定される、光エンコーディングシステム。
【請求項１６】
前記複数の光学的に区別可能なセクションの繰り返しが、拡張された反射セクション及び拡張された非反射セクションの少なくとも一方により割り込まれた、交互になっている反射セクションと非反射セクションからなる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記閾値が、前記インクリメンタルフォトダイオードのアレイにより生成された信号の最大強度と最小強度を求めることにより計算される、請求項１５又は１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、エンコーダを対象とし、より具体的には光学エンコーダを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
シャフトエンコーダとも呼ばれるロータリエンコーダは、シャフト又は軸の角度位置をアナログ符号またはデジタル符号に変換する電気機械装置であり、それを角変換器にする。ロータリエンコーダは、工業用制御、ロボット工学、特殊用途写真レンズ、コンピュータ入力装置（例えば、光機械マウス及びトラックボール）、プリンタ、及び回転レーダーステーションを含む、シャフトの無制限の精密な回転を必要とする多くの用途で使用される。ロータリエンコーダの主なタイプには２つあり、即ちアブソリュート型とインクリメンタル（相対）型である。
【０００３】
直交エンコーダ又は相対ロータリエンコーダとしても知られているインクリメンタル型ロータリエンコーダは従来、直交出力（クォドラチャー出力）と呼ばれる２つの出力を有する。これら２つの出力は、機械的または光学的とすることができる。光学タイプでは従来、２つのバー／ウィンドウ符号化（コーディング）トラックがある一方で、機械タイプは、回転シャフト上のカムにより付勢される２つのコンタクトを有する。光学インクリメンタル型エンコーダは従来、Ａ＆Ｂと呼ばれる２つの出力を利用し、それらは９０度位相がずれていることから直交出力と呼ばれる。
【０００４】
インクリメンタル型エンコーダの変化形は、正弦波エンコーダである。２つの直交方形波を生成する代わりに、出力は直交正弦波（サイン（正弦）とコサイン（余弦））である。逆正接関数を実行することにより、任意のレベルの分解能が達成され得る。
【０００５】
一般的な２チャネルのインクリメンタル型エンコーダは、その出力において９０度だけずれた２つの一連のパルスを生成する。パルスをカウントしてパルス間（第２のチャネルに先行する第１のチャネル又はその逆も同じ）の位相を検査することにより、コードホイールの増分的位置、並びに回転速度および回転方向を求めることができる。２チャネルのインクリメンタル型エンコーダに対する大幅な改良は、３チャネルのインクリメンタル型エンコーダである。追加のチャネルはインデックス（指標）であり、即ち１回転毎に１回、パルスが生成され、その結果、絶対角度位置（定位置）が較正され得る。
【特許文献１】米国特許第４，４５１，７３１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６９１，１０１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２４１，１７２号明細書
【特許文献４】米国特許第７，４００，２６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コードホイール上の１つのトラック（バーとウィンドウのパターン）だけで十分であるという事実により、２チャネルのインクリメンタル型エンコーダの光学的システムは簡略化される。３チャネルのエンコーダの簡単な具現化形態は、コードホイール上にインデックスを示す第２のトラックを必要とする。残念ながら、第２のトラックを導入することは、センサ領域上でコードホイールパターンを投影する光学的システムを複雑にし制限する。これは、反射型エンコーダにおいて特に問題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、光エンコーディングシステムに使用するためのエンコーダが提供され、そのエンコーダは、光を放出するように構成された放出器と、放出器により放出された光の少なくとも一部を受光して、３つの出力チャネルを生成するために使用される１つ又は複数の電気信号へ受光した光を変換するように構成された検出器とを含み、単一の光トラックを通過した又は単一の光トラックにより反射された少なくとも一方の光を用いて、前記３つの出力チャネルが生成される。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、装置の物理的な動きを電気信号に変換するためのシステムが提供され、そのシステムは、インクリメンタルフォトダイオードのアレイ及びインデックスフォトダイオードを含むセンサ領域を含むエンコーダを含み、そのセンサ領域は、装置に機械的に結合された符号化要素の単一の光トラックに近接して配置されるように構成され、インクリメンタルフォトダイオードのアレイが、符号化要素の増分的位置を求めるために使用され得る電気信号を生成するために使用され、インデックスフォトダイオードが、符号化要素の定位置を求めるために使用され得る電気信号を生成するために使用される。
【０００９】
本発明の更に別の実施形態によれば、光エンコーディングシステムが提供され、その光エンコーディングシステムは、絶対位置の標識により割り込まれた複数の光学的に区別可能なセクションの繰り返しからなるトラックパターンを備えるトラックを有する符号化要素と、符号化要素のトラックに入射する光信号を生成するように構成された放出器と、放出器からの光信号を検出するように配置された複数のフォトダイオードを有する光センサ領域を含む検出器とを含み、複数のフォトダイオードが、インクリメンタルフォトダイオードのアレイ及び少なくとも１つのインデックスフォトダイオードを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、より小型で簡素な３チャネルエンコーダを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による、反射型光エンコーディングシステムの構成要素を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による、コードホイールの部分的な略図である。
【図３】本発明の実施形態による、コードホイールのトラックに対するフォトダイオードアレイの第１の略レイアウトを示す図である。
【図４】図３のフォトダイオードアレイにより生成されるアナログ出力信号の波形図である。
【図５】本発明の実施形態による、コードホイールのトラックに対するフォトダイオードアレイの第２の略レイアウトを示す図である。
【図６】図５のフォトダイオードアレイにより生成されるアナログ出力信号の波形図である。
【図７】本発明の実施形態による、コードホイールのトラックに対するフォトダイオードアレイの第３の略レイアウトを示す図である。
【図８】図７のフォトダイオードアレイにより生成されるアナログ出力信号の波形図である。
【図９】本発明の実施形態による、コードホイールのトラックに対するフォトダイオードアレイの第４の略レイアウトを示す図である。
【図１０】図９のフォトダイオードアレイにより生成される、正規化アナログインデックス出力およびその対応するデジタル出力の波形図である。
【図１１】図９のフォトダイオードアレイにより生成されるアナログ出力信号の波形図である。
【図１２】本発明の実施形態による、第１の代替のコードホイールトラックの構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態による、第２の代替のコードホイールトラックの構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態による、第１の代替のフォトダイオードアレイを示す図である。
【図１５】本発明の実施形態による、第２の代替のフォトダイオードアレイを示す図である。
【図１６】本発明の実施形態による、第３の代替のフォトダイオードアレイを示す図である。
【図１７】本発明の実施形態による、３チャネルエンコーダを動作させる方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は添付図面に関連して説明される。
【００１３】
以下の説明は、単なる実施形態を提供し、特許請求の範囲の範囲、適用可能性、又は構成を制限することは意図されていない。むしろ、以下の説明は、説明された実施形態を実施することを可能にする説明を当業者に提供する。理解されるように、様々な変更が、添付の特許請求の範囲の思想および範囲から逸脱せずに、要素の機能および構成に行うことができる。
【００１４】
ここで図１を参照すると、本発明の実施形態による、反射型光エンコーディングシステム１００の構成要素が示される。図示された反射型光エンコーディングシステム１００は、反射材料１０２、コードホイール１０４、エンコーダ１０６、デコーダ１０８、及びマイクロプロセッサ１１０を含む。一実施形態において、反射材料１０２は、コードホイール１０４に物理的に結合されるコーティング（被覆）又は基板である。幾つかの実施形態において、反射材料１０２の反射面は、エンコーダ１０６の反対側でコードホイール１０４に結合される。幾つかの実施形態において、反射材料１０２は、任意のタイプの既知の材料堆積技術を用いてコードホイール１０４上に堆積される。
【００１５】
コードホイール１０４のより詳細な図が図２に提供されるが、図１に示された反射型光エンコーディングシステム１００の動作の文脈として、簡単な説明がここで提供される。一般に、コードホイール１０４は、非反射セクション１４２（バー１４２とも呼ばれ得る）と反射セクション１４４（ウィンドウ１４４とも呼ばれ得る）からなる光トラック１４０を含む。光トラック１４０は、非反射性とすることもできるけれども非反射セクション１４２よりも面積が大きいインデックスセクション１４６を更に含むことができる。
【００１６】
エンコーダ１０６の放出器（エミッタ）１２０は、コードホイールのトラック１４０に入射する光を生成する。コードホイール１０４が、例えば回転シャフト（図示せず）により回転する場合、入射光はトラック１４０の反射セクション１４２、１４６により反射されるが、トラック１４０の非反射セクション１４４により反射されない。かくして、光は、トラック１４０により変調パターン（即ち、オン−オフ−オン−オフ・・など）で反射される。エンコーダ１０６の検出器１３０は、変調された反射光信号を検出し、それに応じて１つ又は複数の周期的チャネル信号（例えば、ＣＨＡ及びＣＨＢ）、並びにインデックスセクション１４６がエンコーダ１０６上を通過した際にインデックス信号（ＣＨＩ）を生成する。一実施形態において、これらチャネル信号およびインデックス信号は次いで、デコーダ１０８に伝達され、デコーダ１０８はカウント信号および場合によってはインデックス信号を生成し、当該生成された信号をマイクロプロセッサ１１０に伝達する。
【００１７】
マイクロプロセッサ１１０はカウント信号を用いて、例えば、コードホイール１０４が結合されたモータシャフト又は他の可動部の増分的（インクリメンタル）な動きを求める。インデックス信号は、コードホイール１０４が結合されたモータシャフト又は他の可動部の完全な回転を求めるために使用される。インクリメンタル信号出力およびインデックス出力の利用によって、より正確な光エンコーディングシステム１００が実現されることが可能になる。
【００１８】
幾つかの実施形態において、エンコーダ１０６は、放出器１２０及びデコーダ１３０を含む。放出器１２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような光源１２２を含む。便宜上、光源１２２は、本明細書においてＬＥＤとして説明されるが、他の光源または複数の光源が実施されてもよい。一実施形態において、ＬＥＤ１２２は、電流制限抵抗ＲＬを介してドライバ信号ＶＬＥＤにより駆動される。係るドライバ回路の詳細はよく知られている。また、放出器１２０の幾つかの実施形態は、投影される光を特定の経路またはパターンに方向付けるために、ＬＥＤ１２２と位置合わせされたレンズ１２４を含むことができる。例えば、レンズ１２４は、光をコードホイールのトラック１４０上に集束することができる。
【００１９】
一実施形態において、検出器１３０は、フォトダイオードのような１つ又は複数の光検出器１３２を含む。光検出器は、例えば集積回路（ＩＣ）で実現され得る。便宜上、光検出器１３２は、本明細書においてフォトダイオードとして説明されるが、他のタイプの光検出器が実施されてもよい。一実施形態において、フォトダイオード１３２は、反射光の特定のパターン又は波長を検出するように一意に構成される。また、フォトダイオード１３２は、コードホイール１０４の半径および設計に対応するパターンに構成され得る。フォトダイオード１３２の様々なパターンは、本明細書においてフォトダイオードアレイと呼ばれる。
【００２０】
フォトダイオード１３２により生成された信号は、チャネル信号ＣＨＡ、ＣＨＢ、及びＣＨＩを生成する信号処理回路１３４により処理される。一実施形態において、検出器１３０は、チャネル信号およびインデックス信号を生成するために１つ又は複数の比較器（図示せず）も含む。例えば、フォトダイオード１３２からのアナログ信号は、比較器により、トランジスタ−トランジスタ論理回路（ＴＴＬ）に適合したデジタル出力信号に変換され得る。一実施形態において、これら出力チャネル信号は、変調された反射光信号のカウント及び方向の情報を示すことができる。更に、検出器１３０は、反射光信号をフォトダイオード１３２の方へ向けるためにレンズ１３６を含むことができる。
【００２１】
放出器、検出器、及び光エンコーダの更なる詳細は概して、特許文献１〜４に言及されており、これらの全ては、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００２２】
更に、本発明の実施形態は特に反射型光エンコーダを対象としているが、理解されるべきは、類似したフォトダイオードアレイ及び／又はコードホイールの構成は、本発明の範囲から逸脱せずに、透過型光エンコーディングシステムで利用され得る。
【００２３】
図２は、コードホイール１０４の一実施形態の部分的な略図を示す。特に、図２は、円板形状の円形コードホイール１０４の一部を示す。幾つかの実施形態において、コードホイール１０４は、円板（ディスク）ではなくてリングの形状にすることができる。図示されたコードホイール１０４は、コードホイール１０４と同心である円形トラックすることができるトラック１４０を含む。一実施形態において、トラック１４０は、コードホイール１０４をぐるりと廻り、且つ単一のインデックスバー１４６により割り込まれた、バー１４２とウィンドウ１４４の連続した繰り返しパターンを含む。図示されたパターンは、交互になっているバー１４２とウィンドウ１４４を含み、１つのインデックスバー１４６は、バー１４２とウィンドウ１４４の厳密に交互になっているパターンが利用される場合に、少なくとも１つのバー１４２とウィンドウ１４４が一般に配置されている場所に配置される。幾つかの実施形態において、インデックスバー１４６は、２つのバー１４２及び１つのウィンドウ１４４により一般に占有されているスペースの量を少なくとも占有する。幾つかの実施形態において、インデックスバー１４６は、コードディスクの周りで少なくとも１回現れる。インデックスバー１４６がコードディスク（又はストライプ）上で１回よりも多く現れる場合、エンコーダは擬似アブソリュート型エンコーダとして働く。
【００２４】
また、非反射セクション１４２及び反射セクション１４４は、位置セクションとも呼ばれ得る。一実施形態において、非反射セクション１４２は、コードホイール１４の透明なセクションであり、又は代案としてコードホイール１０４の空隙（例えば、穴）である。反射セクションは、例えばコードホイール１０４の不透明なセクション（反射性である）である。一実施形態において、反射セクション１４４に対応する表面領域は、反射材料で被覆される。別の実施形態において、図１に示された具現化形態に類似して、コードホイール１０４の反射セクション１４４は透明とすることができ、この場合、コードホイール１０４の反対側に反射コーティング１０２を備える。この実施形態において、非反射セクション１４２は、それらがＬＥＤ１２２からの光を吸収するように不透明とすることができる。
【００２５】
幾つかの実施形態において、透過型符号化要素は、反射型符号化要素の代わりに実施される。コードホイール又はコードストリップのような透過型符号化要素は、反射および非反射セクション１４４及び１４２ではなくて、透過および非透過セクションからなるトラック１４０を含む。一実施形態において、透過型符号化要素は、透過型符号化要素が反射材料１０２を含まないことを除いて、実質的に反射型符号化要素に類似する。このように、透過セクション１４４はコードホイール１０４を介して光を透過し、不透明セクション１４２はコードホイール１０４を介して光を透過しない。
【００２６】
また、留意すべきは、幾つかの実施形態において、円形コードホイール１０４は、円形でない符号化（コーディング）要素と置き換えられ得る。例えば、コードストリップ１８０のような線形符号化要素が使用されてもよい。また、反射型または透過型符号化要素１０４の代わりに、イメージング符号化要素が使用されてもよい。
【００２７】
上述したように、コードホイール１０４の回転、ひいてはトラック１４０は、コードホイール１０４の位置変化を測定するための検出器１３０において、反射光信号の変調という結果になる。従来技術のコードホイールが独立したインデックストラックを含むことに反して、本発明の実施形態は、光トラック１４０にインデックスバー１４６を組み込んで、単一のトラック１４０のみを利用する３チャネルエンコーダを達成する。これは、エンコーダ１０６のサイズ及び複雑性を著しく低減する。
【００２８】
図２に示された実施形態において、位置トラックセクション１４２及び１４４は、同じ円周寸法（スパン「Ｘ」により示されるように幅寸法とも呼ばれる）を有する。言い換えれば、中間の非反射トラックセクション１４２は、反射トラックセクション１４４と同じ幅寸法を有する。コードホイール１０４の分解能は、位置トラックセクション１４２と１４４の幅寸法の関数である。一実施形態において、非反射トラックセクション１４２の幅寸法は、連続的な反射光パルス間に検出可能なギャップ（間隙）を生成するのに必要な面積の量の関数である。
【００２９】
幾つかの実施形態において、インデックスバー１４６は、位置トラック１４２及び１４４よりも大きな幅寸法（スパン「Ｘ’」により示されるように）を有する。幾つかの実施形態において、インデックスバー１４６は、位置トラックセクション１４２及び１４４の幅の整数倍である幅を有する。例えば、インデックスバー１４６は、０．５ピッチ（Ｐ）の整数倍（例えば、１．５Ｐ、２．５Ｐ、３．５Ｐ、４．５Ｐなど）である幅を有することができ、ここでＰはバー１４２又はウィンドウ１４４の幅に対応する。言い換えれば、インデックスバー１４６の幅は、「Ｘ」よりも少なくとも１．５倍大きくするべきであり、それは、任意の整数値に１．５を加えたものを「Ｘ」に掛けたものとすることができる。他の実施形態は、インデックスバー１４６に様々な幅を実施することができる。また、図示されたコードホイール１０４は単一のインデックスバー１４６を含むが、本発明の実施形態はそのように制限されない。更に、インデックスバー１４６が非反射セクションとして具現化されるように説明されているが、理解されるべきは、インデックスバー１４６は実際に、本明細書で説明されたインデックスバー１４６に類似した寸法を有するウィンドウとして実施され得る。
【００３０】
光トラック１４０の高さ「Ｙ」は、全コードホイール１０４にわたって均一または不均一とすることができる。従って、光トラック１４０のバー１４２、ウィンドウ１４４、及びインデックスバー１４６のそれぞれの高さ「Ｙ」は、実質的に同じにすることができ、バー１４２、ウィンドウ１４４、及びインデックスバー１４６の全てが同じフォトダイオード１３２の上を通過するように同じ光トラック１４０に実質的に配列され得る。
【００３１】
図３は、エンコーダ１０６のセンサ領域１４８におけるフォトダイオード１３２の第１の構成を示す。特に、図３は、単一の光トラック１４０を使用する３チャネルエンコーダの比較的簡単な具現化形態を示す。センサ領域１４８は、コードホイール１０４がアレイ１５０の方向（又は反対の方向）に回転する際に、バー１４２、ウィンドウ１４４、及びインデックスバー１４６の全てがセンサ領域１４８のフォトダイオード１３２の上を通過するように、光トラック１４０に対して位置合わせされ得る。
【００３２】
センサ領域１４８は、インクリメンタルフォトダイオード１５２及びインデックスフォトダイオード１５４のアレイを含むことができる。インデックスフォトダイオード１５４はセンサ領域１４８の特定の領域に広がる単一のフォトダイオードとして示されているが、当業者ならば理解されるように、インデックスフォトダイオード１５４はフォトダイオードのアレイとして実施され得る。しかしながら、説明を簡単にするために、インデックスフォトダイオード１５４は単一のフォトダイオードとして言及されるが、本発明の実施形態はそのように制限されない。インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイは、出力信号ＣＨＡ及びＣＨＢ（又は、サイン及びコサイン出力信号）を生成するために使用されるが、インデックスフォトダイオード１５４は出力信号ＣＨＩを生成するために使用される。
【００３３】
また、図３は、コードホイールのトラック１４０に対するセンサ領域１４８の略レイアウトも示す。コードホイールのトラック１４０のＡの表示は、センサ領域１４８と重ね合わされて、コードホイールのトラック１４０のセクションに対する個々のフォトダイオードアレイの素子の可能な寸法を示す。センサ領域１４８は円形コードホイールのトラック１４０に対応するが、他の実施形態は、線形コードストリップのトラックと位置合わせされるように構成されたセンサ領域１４８及びフォトダイオードアレイ１５２、１５４を実現することができる。
【００３４】
図示されたインクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイは、幾つかの個別のフォトダイオードを含み、係る個別のフォトダイオードは、Ａ信号を生成するＡ信号フォトダイオード、Ｂ信号を生成するＢ信号フォトダイオード、ＡＢ信号を生成するＡＢ信号フォトダイオード、及びＢＢ信号を生成するＢＢ信号フォトダイオードを含む。明確化のために、「ＡＢ」は「Ａバー」として読み替えられ、「ＢＢ」は「Ｂバー」として読み替えられる。位置フォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢのこの呼称、及び位置フォトダイオードにより生成される対応する電気信号は当該技術においてよく知られている。位置フォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢの円周寸法（幅寸法とも呼ばれる）は、対応するコードホイールのトラック１４０の位置トラックセクション１４２、１４４、及び１４６の幅寸法に関連する。図３の実施形態において、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイにおける各フォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢは、対応する位置トラック１４０のバー１４２又はウィンドウ１４４の幅の２分の１である幅を有する（即ち、各フォトダイオードの幅は「Ｘ／２」に等しい）。
【００３５】
更に、図３の実施形態において、インデックスフォトダイオード１５４の幅は、バー１４２又はウィンドウ１４４の幅の２倍である幅を有する。言い換えれば、インデックスフォトダイオード１５４の幅は、「Ｘ」の２倍に等しい。これは、インデックスフォトダイオード１５４の幅がインクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイにおける単一のフォトダイオードの幅の約４倍であることも意味するが、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの全幅は実質的に、インデックスフォトダイオード１５４の幅に等しい。
【００３６】
フォトダイオードからの信号は、電流領域または電圧領域で表されることができ、一方から他方へ変換され得る。また、スケーリングおよび加算または減算を含む信号の線形結合も実施され得る。本発明は、これら信号の任意の特定の物理的表現に制限されず、従って、信号は、具現化形態に依存せずにこれらの信号を線形的に組み合わせて比較を行うための方法が存在するということを前提として、抽象的な方法で処理される。
【００３７】
図３の具現化形態は、単一の光トラック１４０を有する３チャネルエンコーダを獲得する目標を達成するが、２つの具現化の問題が対処されるべきである。
【００３８】
第１に、図４で看取され得るように、インデックスバー１４６（又はウィンドウ）がフォトダイオードＡ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢの上を通過する場合、そこから生成されたインクリメンタル信号は乱される。より具体的には、ＣＨＡ及びＣＨＢは、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの上をインデックスバー１４６が通過することにより、歪む可能性がある。この歪みは、エンコーダにより測定される角度位置の精度に悪影響を与える可能性がある。
【００３９】
第２に、デジタルインデックスパルスを生成するために、基準信号Ｒｅｆが必要とされ、そのためＩ−Ｒｅｆの符号が比較器により検出されることができ、その出力がデジタルインデックスパルスである。ＣＨＩからの信号が迷光により大幅にオフセットされている可能性があり且つその絶対振幅が光源の強度、光学ギャップなどのような、光システム１００の他のパラメータに依存することがわかった結果として、Ｒｅｆの生成は簡単ではない。迷光は、光システムの不完全性により生じる、センサ領域上に投影された半均一な（コードホイールの位置に依存しない）光である。
【００４０】
従って、図３に示されたセンサ領域１４８に対する１つ又は複数の変更を実施して、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの上をインデックスバー１４６が通過することにより生じる歪みの量を低減することができる。図５は、インデックスバー１４６により生じる歪みを低減することができるセンサ領域１４８に対する第１の変更態様を示す。特に、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイは、複数の繰り返されたＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢフォトダイオードセクション１５６ａ−Ｎで補われる。各フォトダイオードセクション１５６ａ−Ｎは、Ａフォトダイオード、Ｂフォトダイオード、ＡＢフォトダイオード、及びＢＢフォトダイオードからなることができる。
【００４１】
図６で看取され得るように、比較的大きな数のセクション（例えば、４つ又はそれ以上）がインクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイに組み込まれる場合、信号ＣＨＡ及びＣＨＢの歪みは、大幅に低減され得る。しかしながら、セクションの数は、センサ領域１４８の全幅により、エンコーダ１０６の必要な寸法により、及び全センサ領域１４８の上にコードホイールのパターンを正確に投影するためのエンコーダの光学部分の能力により、制約される。これらの制約により、インクリメンタルフォトダイオード１５２の複数のセクションのアレイだけを用いることは、インデックスバー１４６により生じる歪みの問題に対処するのに十分でない可能性がある。
【００４２】
従って、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイにおけるフォトダイオードの形状を変更することにより、インデックスバー１４６がインクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの上を通過する際にインデックスバー１４６の移行を緩和することも望ましいかもしれない。幾つかの実施形態において、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの形状は、第１及び第２の移行部分１５８ａ、１５８ｂのそれぞれにより対称的に取り囲まれた中間部分１６０を含む六角形の外形を有するように変更され得る。
【００４３】
しかしながら、理解されるべきは、第１の移行部分１５８ａは、第２の移行部分１５８ｂの鏡の反対側にする必要がない。むしろ、移行部分１５８ａ、１５８ｂにおけるフォトダイオードのサイズ、形状、及び／又は数は、第２の移行部分１５８ｂに比べて、第１の移行部分１５８ａで異なっていてもよい。
【００４４】
また、理解されるべきは、第１の移行部分１５８ａ及び第２の移行部分１５８ｂは、繰り返されたＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢフォトダイオードセクションの２つのセットを有するように示されているが、より多くの数またはより少ない数の繰り返されたＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢフォトダイオードセクションが、本発明の範囲から逸脱せずに移行部分１５８ａ、１５８ｂに組み込まれ得る。同様に、中間部分１６０がＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢフォトダイオードの１つのセットだけを有するように示されているが、中間部分１６０は、複数の繰り返されたＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢフォトダイオードセクションを有するように構成されてもよい。更に、中間部分１６０及び／又は移行部分１５８ａ、１５８ｂは、Ａ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢフォトダイオードの完全なセットを必ずしも有さなくてもよい。むしろ、中間部分１６０及び／又は移行部分１５８ａ、１５８ｂは、Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢフォトダイオードのサブセットを有するだけでもよい。制限しない例として、第１の移行部分１５８ａがＡ及びＢフォトダイオードだけを有することができる一方で、第２の移行部分１５８ｂはＡＢ及びＢＢフォトダイオードだけを有することができる。
【００４５】
図７に示された変形形態は、角度位置測定の歪みの核心が同時に発生しない信号振幅の急激な変化から生じることがわかった後に明らかになる。例えば、インデックスバー１４６が右手側からインクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイに近づき、左側に移動している場合、インデックスバー１４６は、最初にフォトダイオードＢＢを妨害し、次いでフォトダイオードＡＢ、次いでフォトダイオードＢ、次いでフォトダイオードＡを妨害する。この現象は、図８でより明確に示される。提示された六角形の外形によって、インデックスバー１４６により生じる歪みの急激性は、図６に示された歪みに比べてより少なくなる。
【００４６】
図９は、センサ領域１４８に対する別の可能な変形形態を示す。特に、センサ領域１４８は、インデックスフォトダイオード１５４からインクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの反対側にレプリカ（複製）のインデックスフォトダイオード１６２を組み込むように変更され得る。言い換えれば、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイをインデックスフォトダイオードで取り囲むことが望ましいかもしれない。レプリカのインデックスフォトダイオード１６２の追加は、上述した迷光の問題に対する解決策を提供する。レプリカのインデックスフォトダイオード１６２がインデックスフォトダイオード１５４に対してインクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイを中心として対称的に配置され且つ迷光の強度もセンサ領域１４８の垂直中心軸に対して対称的である場合、インデックスフォトダイオード１５４及びレプリカのインデックスフォトダイオード１６２により生じる信号間の差（即ち、ＩマイナスＭ）は、インデックスバー１４６がインデックスフォトダイオード１５４又はレプリカのインデックスフォトダイオード１６２の上を通過する時を除いて、ほぼゼロになるはずである。
【００４７】
図１０で看取され得るように、ＩマイナスＭの値は、インデックスバー１４６がインデックスフォトダイオード１５４、１６２の一方の上を通過しない限り、ほぼゼロである（又は少なくとも正規化される）。しかしながら、インデックスフォトダイオード１５４上のインデックスバー１４６の通過は、レプリカのインデックスフォトダイオード１６２上のインデックスバー１４６の通過と区別され得る。その理由は、一方の事象によりＩマイナスＭの値が急激に減少し（即ち、比較的大きな負の数へ）、他方の事象によりＩマイナスＭの値が急激に増加（即ち、比較的大きな正の数へ）するからである。
【００４８】
従って、閾値ＴＨが計算されてＩマイナスＭの値と比較され、コードホイール１０４の完全な回転に対応し且つインデックスバー１４６がインデックスフォトダイオード１５４、１６２の何れかの上を通過することによる発生に対応しないインデックスパルスが生成される。
【００４９】
図１１は、インデックスフォトダイオード１５４と１６２の出力間の差と比較するための有用な閾値ＴＨを計算する１つの方法を示す。閾値ＴＨに関して、最初に注意されるべきは、ＴＨが非常に小さい場合、複数のインデックスが発生し又はインデックスパルスが非常に大きくなるが、ＴＨが非常に大きい場合、インデックスが無いという結果になる。従って、閾値ＴＨは理想的には、Ｉの振幅（即ち、インデックスフォトダイオード１５４により出力された信号の振幅）の約０．５倍とするべきである。この目標を達成するために、ＴＨ信号は、センサ領域１４８の照射の振幅に比例的にスケーリングするべきである。そのため、最大値および最小値セレクタを通過した後で、Ａ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢ信号、並びに補間された信号（例えば、０．７Ａ＋０．７Ｂ）（Ｓ１、Ｓ２、・・として示される）は、光強度の標識（indicator：尺度）として使用され得る。
【００５０】
より具体的には、最大値および最小値セレクタの設計は、以下に注意される場合、即ち、エンコーダ１０６がＡ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢに基づいたデジタル信号を生成し、その組み合わせが補間のために使用される場合、これらのデジタル信号は、どの信号（Ａ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢ、又は組み合わせ）が最大値または最小値に選択されなければならないかをあらゆる時点で決定するために使用され得るということに注意される場合、簡略化され得る。このように、最大値／最小値セレクタは、比較器のデジタル出力の組み合わせにより制御されるスイッチを含む。従って、閾値ＴＨは、（Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢの最大値）−（Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢの最小値）として選択され得る。ＩマイナスＭの値は、閾値ＴＨと比較されることができ、ＩマイナスＭの値が閾値ＴＨより小さい場合、デジタルインデックス出力パルスが生成され得る。そうでない場合には、デジタルインデックス出力パルスは生成されない。
【００５１】
理解され得るように、最大値および最小値セレクタ、並びに比較器の機能は、信号処理回路１３４及び／又はマイクロプロセッサ１１０で実行され得る。これらの構成要素の任意の１つが、本明細書で説明されたようなインデックス出力を生成することに関係した処理ステップの全てを実行する必要はない。
【００５２】
ここで、図１２を参照すると、第１の代替の光トラック１４０の構成が、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に従って、説明される。上述されたように、インデックスバー１４６の寸法は、本発明の範囲から逸脱せずに変更され得る。ここで、インデックスバー１４６の幅「Ｘ’」は約２．５Ｐである（即ち、バー１４２又はウィンドウ１４４の幅の２．５倍）。
【００５３】
図１３は、本発明の実施形態による、第２の代替の光トラック１４０の構成を示す。特に、インデックスバー１４６として拡大されたバーを用いるのではなくて、拡大されたウィンドウ１６４が、インデックスバー１４６として働くように使用され得る。ここで、センサ領域１４８の上の拡大されたウィンドウ１６４の通過の結果は、非対称の光検出がないことによりインデックスフォトダイオード１５４、１６２の一方または双方により検出される。拡張されたウィンドウ１６４は、それが０．５Ｐの任意の倍数（例えば、「Ｘ」の１．５倍、「Ｘ」の２．５倍、「Ｘ」の３．５倍など）とすることができる点でインデックスバー１４６と類似した大きさに作られ得る。
【００５４】
また、理解されるべきは、バー１４２及びウィンドウ１４４の半分のサイズは、インデックスバー１４６又はその等価物に使用される必要はない。むしろ、インデックスバー１４６（又は等価な拡張されたウィンドウ１６４）は、ピッチ（Ｐ）の任意の小数値倍（例えば、２．１Ｐ、１．２Ｐなど）のような大きさに作られ得る。
【００５５】
図１４は、本発明の実施形態による、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイに関する第１の代替の構成を示す。第１の代替の構成は、テーパ状にされる代わりに厚さが一様である移行部分１５８ａ、１５８ｂを実施する。また、中間部分１６０は、Ａ、Ｂ、ＡＢ、ＢＢフォトダイオードセクションの複数の繰り返しで構成され得る。
【００５６】
インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの最も大きい厚さ「Ｈ」は、インデックスの移行の間でのインクリメンタル信号に対する妨害を最小限にするように設計され得る。更に、移行部分１５８ａ、１５８ｂの厚さは、Ｈの小数値α倍の高さとすることができる。αの適切な値は、０と１との間の任意の値であり、０と１は含まれない。一例として、αの値は０．５に等しくすることができる。
【００５７】
図１５は、本発明の実施形態による、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイに関する第２の代替の構成を示す。第２の代替の構成は、移行部分１５８ａ、１５８ｂを異なる高さの複数のセグメント１６４ａ、１６４ｂに分割する。２つのセグメント１６４ａ、１６４ｂだけが移行部分１５８ａ、１５８ｂに含まれているように示されているが、２つ、３つ、４つ又はそれ以上のセグメントが使用され得ることは理解されるべきである。各セグメントは、Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢフォトダイオードの完全なセット、係るフォトダイオードの複数のセット、又はこれらフォトダイオードのサブセットのみを含むことができる。幾つかの実施形態において、第１のセグメント１６４ａは移行部分の最も外側の部分に対応し、第２のセグメント１６４ｂは移行部分の最も内側の部分に対応する。幾つかの実施形態において、第１のセグメント１６４ａは、「Ｈ」の第１の小数値α倍である高さからなり、第２のセグメント１６４ｂは、「Ｈ」の第２の小数値β倍である高さからなる。１つの制限しない例として、第１の小数値αは０．５に等しくすることができ、第２の小数値βは０．７５に等しくすることができる。
【００５８】
別の可能な構成は、図示されないが、中間部分１６０を完全に取り除くことができる。むしろ、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイは、移行部分１５８ａ、１５８ｂだけを含むことができる。
【００５９】
ここで、図１６を参照すると、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイに関する別の代替の構成が、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に従って説明される。ここで、移行部分はそれぞれ、第１及び第２の湾曲した移行部分１６６ａ、１６６ｂと置き換えられる。移行部分１６６ａ、１６６ｂの外形（プロファイル）は、図９に示された線形の外形とは対照的に多項式の線または曲線に追従する。更に、湾曲した移行部分１６６ａ、１６６ｂは、Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢフォトダイオードの２つのセットからなり、中間部分１６０は、Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢフォトダイオードの３つのセットからなる。やはり、インクリメンタルフォトダイオード１５２のアレイの各部分におけるＡ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢフォトダイオードの数は、本発明の範囲から逸脱せずに変更され得る。
【００６０】
光トラック１４０及びセンサ領域１４８に対する多数の可能な変形形態が本明細書で説明されたが、本発明の範囲から逸脱せずに、可能な変形形態の組み合わせも実現され得ることは理解されるべきである。従って、本明細書で説明された光トラック１４０及び／又はセンサ領域１４８の１つ又は複数の特徴を組み込む任意の光エンコーディングシステム１００は、本発明の範囲内にある。
【００６１】
更に、センサ領域１４８及びその中のフォトダイオードの寸法は、光エンコーダシステム１００が使用される応用形態に依存して変化することができる。１つの制限しない例として、センサ領域１４８の高さは、約３００μｍ〜４００μｍにすることができる。センサ領域１４８の長さは、約１２００μｍにすることができる。Ａ、Ｂ、ＡＢ、及びＢＢフォトダイオードのそれぞれの幅は、約４０μｍとすることができる。インデックスフォトダイオード１５４又はレプリカのインデックスフォトダイオード１６２の幅は、約１６０μｍとすることができる。しかしながら、理解されるように、本明細書で説明された構成要素のサイズは、任意の数の応用形態に適応するように変化することができる。
【００６２】
実施形態の完全な理解を提供するために、説明において特定の細部が与えられた。しかしながら、当業者ならば理解されるように、実施形態はこれら特定の細部を用いずに実施され得る。例えば、回路は、不要な細部で実施形態を不明瞭にしないために、ブロック図で示され得る。また、よく知られた回路、プロセッサ、アルゴリズム、構造、及び技術は、実施形態を不明瞭にすることを避けるために、不要な細部なしで示され得る。
【００６３】
本発明の例示的な実施形態が本明細書で詳細に説明されたが、発明の概念は、様々に具現化されて使用され得ることは理解されるべきである。添付の特許請求の範囲は、従来技術により制限されることを除いて、係る変更態様を含むように解釈されることが意図されている。
【符号の説明】
【００６４】
100  反射型光エンコーディングシステム
102  反射材料
104  コードホイール
106  エンコーダ
108  デコーダ
110  マイクロプロセッサ
120  放出器
122  ＬＥＤ
130  検出器
132  光検出器（フォトダイオード）
134  信号処理回路
140  光トラック
142  非反射セクション
144  反射セクション
146  インデックスセクション
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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