(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的な寸法誤差や光学ディスクの光学パターンの不規則性による精度低下を低減し、精度向上を実現する。【解決手段】光学ディスクが、透過領域及び非透過領域を交互にそれぞれ備えた１対の同心円環状のパターンを有する。各光線は、光ファイバーを介し、円筒形状（ＣＯＧ）をそれぞれ有し同心にて配置された１対のＯＧの１つに入力され、光学ディスクを通って伝搬され、反射領域及び非反射領域の２つの同心円環状パターンを備えたミラーにより反射される。そして、ＣＯＧは、光線を電子インターフェースに戻るよう導き、該電子インターフェースは、光信号を、位置情報を生成する電子信号に変換する。ディスクを通じて、当該光学ディスクの略大きな領域に到達する光の強度を平均化するので、非常に高い精度を得ることができる。【選択図】図１
2011089993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に配置されたロータリシャフトと、
軸方向一方側から他方側へ向かうにつれて径方向に拡開する形状を備えた、略漏斗形状の少なくとも１つの導波管部材と、
前記導波管部材より前記軸方向他方側に位置するように前記ロータリシャフトに設けられ、径方向外周部の所定領域に少なくとも１つの所定の光学パターンを備えた、光学ディスクと、
を有するエンコーダ装置であって、
前記導波管部材は、
前記軸方向一方側の端部の近傍部位でかつ径方向中心部に設けられ、光源からの光が入射されるとともに光を光学検出手段へと出射する、入出射面と、
前記軸方向他方側の端部に周方向全周にわたって設けられ、光を前記光学ディスクの前記光学パターンへと出射し、かつ、前記光学パターンにより生成され当該光学パターンの態様を反映した反射光が入射される、略円環形状の入出射口と、
前記軸方向一方側の端部の近傍部分でかつ径方向中心部における前記入出射面と前記軸方向で対向する面において前記入出射面側へ突出するように設けられ、当該入出射面から入射した光を径方向外周側へと反射する、入射光用反射部と、
前記入射光用反射部により径方向外周側へ反射された光を前記軸方向他方側かつ径方向外周側の前記入出射口へと導き、かつ、前記入出射口から入射された前記反射光を前記軸方向一方側かつ径方向内周側へと導く、光導波路と、
前記軸方向一方側の端部の近傍部分でかつ径方向中心部における前記入出射面と前記軸方向で対向する面において前記入出射面側へ突出するように設けられ、前記光導波路によって導かれた前記反射光を、前記光検出手段へと出射する前記入出射面側へと反射する、出射光用反射部と、
を有し、
前記ロータリシャフト、前記導波管部材の前記入出射面、及び前記光学ディスクは、共通の軸心線を備えている、
ことを特徴とする光学エンコーダ装置。
【請求項２】
請求項１記載の光学エンコーダ装置において、
前記入出射面は、
径方向中心部に位置し、前記入射光用反射部へと導かれる光が入射される第１の面領域と、
前記第１の面領域の径方向外周側に位置し、前記出射光用反射部から導かれた光を出射する第２の面領域と
を備える
ことを特徴とする光学エンコーダ装置。
【請求項３】
請求項２記載の光学エンコーダ装置において、
前記光学ディスクの前記光学パターンは、
前記入射光用反射部で反射されて前記入出射口から出射された光が入射されるとともに、当該入射方向と平行でかつ反対の方向に光を反射して前記入出射口へ入射させその入射した光を前記出射光用反射部へ導くための、横断面Ｖ字形状の反射面を備える
ことを特徴とする光学エンコーダ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の光学エンコーダ装置において、
前記入射光用反射部及び前記出射光用反射部は、
前記導波管部材において前記軸方向に沿って前記入出射面と反対側の面から該入出射面に向けて略円錐形状の１つの窪みが穿設されることにより、前記光導波路内に突出するように設けられていることを特徴とする光学エンコーダ装置。
【請求項５】
請求項３又は請求項４記載の光学エンコーダ装置において、
前記軸心線を含む断面における、当該軸心線と前記入射光用反射部とが交差する傾斜角度は、当該軸心線と前記出射光用反射部とが交差する傾斜角度よりも小さくなっていることを特徴とする光学エンコーダ装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の光学エンコーダ装置において、
前記少なくとも１つの導波管部材は、
径方向内周側に位置する第１導波管部材と、前記第１導波管部材の径方向外周側に位置する第２導波管部材と、を含み、
前記光学ディスクの前記少なくとも１つの光学パターンは、
前記第１導波管部材に対応して径方向内周側に設けられた第１光学パターンと、前記第２導波管部材に対応して前記第１光学パターンの径方向外周側に設けられた第２光学パターンと、を含み、
前記第１導波管部材は、
光源からの光を入射するとともに光を光学検出手段へと出射するための、第１入出射面と、
光を前記光学ディスクの前記第１光学パターンへと出射し、かつ、前記第１光学パターンにより生成され当該第１光学パターンの態様を反映した反射光を入射するための、略円環形状の第１入出射口と、
前記第１入出射面から入射した光を径方向外周側へと反射するための第１入射光用反射部と、
前記第１入射光用反射部により反射された光を前記第１入出射口へと導き、かつ、前記第１入出射口から入射された前記反射光を導く、第１光導波路と、
前記第１光導波路によって導かれた前記反射光を前記第１入出射面側へと反射するための第１出射光用反射部と、
を有し、
前記第２導波管部材は、
光源からの光を入射するとともに光を光学検出手段へと出射するための、第２入出射面と、
光を前記光学ディスクの前記第２光学パターンへと出射し、かつ、前記第２光学パターンにより生成され当該第２光学パターンの態様を反映した反射光を入射するための、略円環形状の第２入出射口と、
前記第２入出射面から入射した光を径方向外周側へと反射するための第２入射光用反射部と、
前記第２入射光用反射部により反射された光を前記第２入出射口へと導き、かつ、前記第２入出射口から入射された前記反射光を導く、第２光導波路と、
前記第２光導波路によって導かれた前記反射光を前記第２入出射面側へと反射するための第２出射光用反射部と、
を有する、
ことを特徴とする光学エンコーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気モーターやその他の回転装置のために一般的に使用される、光学エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような光学エンコーダの例は、Ｂｅｃｃｈｉらによる米国特許第４,２６８,７４７号（１９８１）、及び、Ｂｒｅｓｌｏｗによる米国特許第４,４１０,７９８号（１９８３）の中に見出すことができる。
【０００３】
光学エンコーダは、それが発明されて以来ずっと、ロボット、自動機械、及びその他の装置において、ロータリシャフトの位置制御用の位置フィードバック装置として広く使用されている。
【０００４】
公知のエンコーダは、モータシャフトに固定され、交互に繰り返す光学特性を持つ領域パターン（例えば、透過領域及び不透過領域を持つスロット）を有する回転する光学ディスクを用いる。このディスクは、光出射器及と光センサーとの間において、光線の光路に配置される。光センサーは、その振幅がシャフトの位置にしたがって周期的に変化する電気信号を生成する。この電気信号の周期の数を電子回路を用いてカウントし、これによって、初期位置に対するシャフトの瞬間的な相対位置に関する情報が得られる。
【０００５】
回転方向を検出するために、一対の光が使用される。その場合、第２ビームの光路は、第１電気信号と同様の信号であるとともに第１電気信号の周期の４分の１のだけ角度位置偏差をもつ第２電気信号を生成するような位置に、配置される。以下、このような２つの信号を直交位相と言う。
【０００６】
上述の方法の改良策としては、光学特性が交互に繰り返されるいくつかの領域をカバーする光を用いつつ、回転する光学ディスクと光センサーとの間に固定マスクを配置する手法がある。マスクは、光学ディスクのパターンと同じパターンを備え、かつ、光センサーの少なくとも表面を覆う。マスクパターンとディスクパターンとが一致するときは必ず最大光量の光が伝達されるが、一方、マスクパターンとディスクパターンとが反対位相にあるときは光の透過量は最小になる。したがって、センサーに伝達される光量、及び、該センサーによって発生される電気信号の振幅は、角度位置の周期関数となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４２６８７４７号
【特許文献２】米国特許第４４１０７９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
位置フィードバック装置の精度及び解像度の改良が要請されている。
【０００９】
精度を制限する第１要因は、機械的な寸法誤差に由来する、回転する光学ディスクの僅かな偏心運動である。２つのビームは、シャフトの一方側においてディスク上の定められた位置で光学ディスクに当たるので、シャフトの側方移動は、光検出器に達する光量に影響を及ぼし、位置情報に誤差を生じる。このような側方移動は、シャフトを保持するロールベアリング又は光学ディスク装置における寸法誤差によってもたらされる可能性がある。
【００１０】
第２要因は、回転ディスク上のパターンの精度である。パターンにおける不規則性は不均一な周期を招き、これによって光学ディスクはシャフトの角度位置を示すことができなくなる。２つのビームは、シャフトの一方側においてディスク上の定められた位置で光学ディスクに当たるので、ディスクパターンの不規則性は、光検出器に達する光量に影響を与え、位置情報に誤差を導く。
【００１１】
第３要因は、直交位相にある２つの信号間の位相差の不十分な精度である。この位相差は、２つの受容器における所定の相対位置によって取得されるものであるが、その精度が限定されることとなる。
【００１２】
別の概念では、光学エンコーダの解像度が増大すると、発生する電気信号の周波数も高くなる。このような高い周波数は電線を介し比較的伝達しにくいので、耐ノイズ性の問題が生じる。また、電線をシールドしなければならないことから、高コスト化を招き、システムの信頼性が低下する。
【００１３】
あるエンコーダでは、この困難を、エンコーダとコントローラとの間にシリアル通信ラインを用いることによって解決している。しかしながら、この場合、電気信号をシリアルコードに変換するための電子回路を追加しなければならない。さらに、エンコーダの位置検出と、コントローラの位置情報の読み取りまでの間に遅延が生じる。
【００１４】
公知の光学エンコーダの、もう１つの欠点は、エンコーダそのものの中に電子回路を設けなければならないことである。この電子回路は、最も一般的には、２つの電気信号により矩形パルスを生成するのに使用される。このような電子回路は、電源を必要とし、この結果エンコーダへ電線をさらに追加する必要とする。この場合もまた、ケーブルサイズや導電体の数が増加するので、例えば、工業環境で使用される場合、信頼性の低下を招く。さらに、電子的なインターフェースのコストや、この電子インターフェースのエンコーダの中での組み立てコストは、比較的高い。
【００１５】
したがって、一般的に使用されるエンコーダの上記欠点を克服する光学エンコーダが望まれている。電源を必要とせず、位置情報に遅延が生じない、光学エンコーダが望まれている。さらに、位置信号が、ａ）電気ノイズに対する耐性を持ち、ｂ）回転時のディスクの機械的偏心運動に対する感度が鈍く、ｃ）エンコーダのディスクの取り付け精度の低さや、エンコーダのディスクのパターンの不規則性に対して感度が鈍く、ｄ）ディスクの機械的振動に対して感度が鈍い、光学エンコーダが望まれている。
【００１６】
本発明は、回転する光学ディスク及びミラーを有し、光が電子インターフェースから出射され、その光が、該光学ディスクのロータリシャフトと同方向の軸心線を備えた１つ以上の円筒形の導波管部材に光ファイバーを介して伝達される、光学エンコーダ装置に関する。本発明による、円筒形導波管部材の構成により、導波管部材から出射される光は、回転する光学ディスクの径方向外周部にわたって分布する。光は、光学ディスクを経由して伝搬されミラーに達した後、ミラーによって反射される。その結果、反射された光は、前記光学ディスクを経由して導波管部材に戻され、該導波管部材から光ファイバーへ、さらに遠隔にある前記電子インターフェースに伝達され、該電子インターフェースにおいて位置表示が行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明によるエンコーダ装置の一実施形態の、対称軸を含む断面で２等分した断面図を示す。
【図２】図２は、円筒形の導波管部材の斜視図及び光線の光路を示す。
【図３】図３は、回転する光学ディスクを示す。
【図４】図４は、パターンが付与されたミラーを示す。
【図５】図５は、光線がエンコーダ装置に入力されるとともに、エンコーダ装置から戻された光線がビームスプリッタによって分離される、実施形態を示す。
【図６】図６は、回転する光学ディスクと円筒形の導波管部材との間に配置される静止した光学ディスクが、第１実施形態のミラー上のパターンを置き換える第２実施形態の、対称軸を含む断面で２等分した断面図を示す。
【図７】図７は、回転する光学ディスクとミラーとの間に配置される静止した光学ディスクが、第１実施形態のミラー上のパターンを置き換える第３実施形態の、対称軸を含む断面で２等分した断面図を示す。
【図８】図８は、ミラーが回転する光学ディスクの背面に直接取り付けられる、図６のエンコーダ装置のさらに他の実施形態の、対称軸を含む断面で２等分した断面図を示す。
【図９】図９は、新来者反射面がミラーを置き換える他の実施形態の、対称軸を含む断面で２等分した断面図を示す。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態の光学エンコーダ装置に適用可能なファイバー束を示す。
【図１１】図１１は、静止された光学ディスクが、円筒形の導波管部材に備えられた特別な形状の端部によって置き換えられる、図６と同様の実施形態の、対称軸を含む断面で２等分した断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、回転する光学ディスクとミラーと共通の軸心線を持つ少なくとも１つの導波管部材とを有するとともに、光が前記導波管部材から出射されその出射光が前記光学ディスクの径方向外周部にわたって分布する、光学エンコーダ装置を用いて、回転角度を提示する方法に関する。光は、前記光学ディスクを経由して前記ミラーに伝搬された後、光は前記ミラーによって反射される。その反射光は、逆方向へ戻るようにして、前記光学ディスクを経由して前記導波管部材へと入射される。導波管部材から出射される反射光の量が検出されることで、回転角度を反映するとともに前記回転角度を示す信号が生成される。
【００１９】
別の概念によれば、本発明は、ロータリシャフトに設けられた回転する光学ディスクと、該光学ディスク及びロータリシャフトの回転軸と同軸の上記軸心線を有する円筒形状の導波管部材（ＣＯＧ）と、前記光学ディスクと平行に配置されたミラーとを有し、該光学ディスクがＣＯＧとミラーとの間に位置する、光学エンコーダ装置を提唱する。前記光学エンコーダ装置は、光入射面に位置する第１端部、及び、第２端部を備えた、少なくとも１つの光ファイバーを有している。第１端部を介して、光が前記ＣＯＧの中に入射されるか、若しくは、光が該ＣＯＧから出射される。第２端部は、電子インターフェースに接続される。
【００２０】
さらに別の概念によれば、本発明は、光学エンコーダ装置を用いてロータリシャフトの回転角度を提示する方法を提唱する。この光学エンコーダ装置では、第１導波管部材（ＯＧ）が第２導波管部材（ＯＧ）の中に同軸に設けられる。その際、前記第１導波管部材及び第２導波管部材は、光学ディスクの回転軸と同軸である軸心線を備える。その結果、光は、電子インターフェースから光ファイバーを介して光学ディスクの方向へ出射されると、前記光は、前記導波管部材によって、前記光学ディスクの径方向外周部に、共通の軸心線を持つ２つのビーム形状となって分布する。この本発明の方法によれば、光は、前記光学ディスクを経由してミラーの方向に伝搬され、前記ミラーによって反射される。反射の際、光は、前記光学ディスクを逆方向に通過し、再度前記導波管部材に入射する。その後、これらの導波管部材は、それぞれ、内部に入射された反射光を、前記光ファイバーを介して導き、遠隔にある前記電子インターフェースに戻す。前記電子インターフェースは、光学信号を、光学ディスクが固定されたロータリシャフトの回転角度を表す電気信号に変換する。
【００２１】
本発明の方法及び本発明の装置の効果により、回転する光学ディスクを通過した光の強度が光学ディスクの円周上に平均化される。この平均化特性により、機械的な寸法誤差や光学ディスクの光学パターンの不規則性による精度低下が低減されるので、著しい精度向上を実現することができる。
【００２２】
電子インターフェースは、光学エンコーダ装置が組み込まれる、例えばモーターコントローラーシステム等のシステムの中に、当該システムとは別に組み込むことが可能である。光学エンコーダ内に電源が不要であることは、本発明の方法及び本発明の装置のもう１つの効果である。
【００２３】
角度位置情報に遅延が生じないことは、本発明の装置及び本発明の方法のさらにもう１つの効果である。
【００２４】
位置信号が、ａ）電気ノイズに対する耐性を持つこと、ｂ）光学ディスクの回転時の機械的偏心運動に対して感度が鈍いこと、ｃ）エンコーダの光学ディスクの取り付け精度の低さやエンコーダの光学ディスクの光学パターンの不規則性に対して感度が鈍いこと、そして、ｄ）光学ディスクの機械的振動に対して感度が鈍いこと、は、本発明の装置及び本発明の方法のさらにもう１つの効果である。
【００２５】
以下、本発明を、好適な実施形態を参照しつつ説明する。しかしながら、本発明及び請求項の範囲を逸脱しない範囲内において、その他のバリエーションや変形が可能であることが、理解されるであろう。
【００２６】
図１を参照して、本発明による光学エンコーダ装置の好適な実施形態が、その軸心線１に沿った断面図に示される。この光学エンコーダ装置は、ロータリシャフト３に設けられた、回転する光学ディスク２と、光学ディスク２の背後側に同軸で設けられ、前記光学ディスク２と平行に配置され、前記光学ディスク２に臨む反射面４ａを備えるミラー４と、を有する。この光学エンコーダ装置はさらに、円筒形状を備えた一対の導波管部材を有する。この導波管部材は、以下、円筒形導波管部材（ＣＯＧ）５，６と称される。ＣＯＧ５は、略円環形状の端部５ａと中空部５ｂとを有し、ＣＯＧ６は、略円環形状の端部６ａと中空部６ｂとを有する。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６と同じ形状を有するが、サイズはＣＯＧ６より小さい。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６の中空部６ｂの内部に配置されている。ＣＯＧ５，６の端部５ａ，６ａは、それぞれ、前記ＣＯＧ５，６の軸心線及び前記モータシャフト３の回転軸が、装置の軸心線１と同軸となるように、前記光学ディスク２に臨んでいる。
【００２７】
図１の好適な実施形態によるＣＯＧの斜視図である図２において概略的に（Ａ）として最もよく示されるように、ＣＯＧ（Ａ）は、軸心線（Ｘ）及び透過性を備えた周壁（Ｗ）を持つ中空構造である。この好適な実施形態によれば、ＣＯＧ（Ａ）は、中空部８を備えた円筒部７を有し、前記周壁は、前記円筒部７の第１端部に、略円環形状の端部９を有する。中空の漏斗形状部１０は、前記円筒部７の第２端部から離れる方向、前記端部９に向かって延び、前記漏斗形状部１０は、中空部１０ｂ及び末端部１１を有する。光ファイバー１２は、本発明の中央線が、以下、好適な実施形態を参照しつつ説明されるように、前記末端部１１内の光入射面１３においてＣＯＧに入る。しかしながら、本発明及び請求項の範囲を逸脱しない範囲内において、その他のバリエーションや変形が可能であることが、理解されるであろう。
【００２８】
図１を参照して、本発明による光学エンコーダ装置の好適な実施形態が、その軸心線１に沿った断面図に示される。この光学エンコーダ装置は、ロータリシャフト３に設けられた、回転する光学ディスク２と、光学ディスク２の背後側に同軸で設けられ、前記光学ディスク２と平行に配置され、前記光学ディスク２に臨む反射面４ａを備えるミラー４と、を有する。この光学エンコーダ装置はさらに、円筒形状を備えた一対の導波管部材を有する。この導波管部材は、以下、円筒形導波管部材（ＣＯＧ）５，６と称される。ＣＯＧ５は、略円環形状の端部５ａと中空部５ｂとを有し、ＣＯＧ６は、略円環形状の端部６ａと中空部６ｂとを有する。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６と同じ形状を有するが、サイズはＣＯＧ６より小さい。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６の中空部６ｂの内部に配置されている。ＣＯＧ５，６の端部５ａ，６ａは、それぞれ、前記ＣＯＧ５，６の軸心線及び前記モータシャフト３の回転軸が、装置の軸心線１と同軸となるように、前記光学ディスク２に臨んでいる。
【００２９】
図１の好適な実施形態によるＣＯＧの斜視図である図２において概略的に（Ａ）として最もよく示されるように、ＣＯＧ（Ａ）は、軸心線（Ｘ）及び透過性を備えた周壁（Ｗ）を持つ中空構造である。この好適な実施形態によれば、ＣＯＧ（Ａ）は、中空部８を備えた円筒部７を有し、前記周壁は、前記円筒部７の第１端部に、略円環形状の端部９を有する。中空の漏斗形状部１０は、前記円筒部７の第２端部から離れる方向、前記端部９に向かって延び、前記漏斗形状部１０は、中空部１０ｂ及び末端部１１を有する。光ファイバー１２は、当該光ファイバー１２が前記光入射面１３においてＣＯＧの前記軸心線（Ｘ）に同軸となるようにしつつ、光を前記末端部１１内の当該光入射面１３にてＣＯＧ内へ入射する。
【００３０】
ＣＯＧは、光ファイバーと同じ原理によって動作する。ＣＯＧの形状及び材料は、光ファイバー１２を介してＣＯＧ（Ａ）に入射する光が、常に、全反射最小角よりも小さい入射角で透過性の周壁（Ｗ）の内面又は外面に当たるように設定される。そして、図２に例示されるように、光ファイバー１２を介してＣＯＧ（Ａ）に入射された光線１５，１６は、反射されつつ前記周壁（Ｗ）の内部空間へ導入され、該周壁（Ｗ）の前記内部空間の中に閉じ込められた後、該光線はＣＯＧ（Ａ）の、前記端部９に達し、その端部９において該光線１５、１６はＣＯＧから出射される。前記端部９から出射される光は円環形状を呈することが理解されよう。
【００３１】
本発明の導波管部材は、円環形状の端部がある限り、非対称構造を含む異なる構造で製造可能であることが理解されよう。
【００３２】
再び図１を参照すると、ＣＯＧ５，６は、それぞれ、５ｃ，６ｃと表示される中空の円筒部を含み、前記ＣＯＧ５，６は、それぞれ、周壁５ｄ，６ｄによって囲まれ、前記周壁５ｄ，６ｄは、それぞれ、端部５ａ，６ａまで延びる。漏斗形状の中空部５ｅ，６ｅは、それぞれ、前記円筒部５ａ，６ａから、離れる方向へ前記端部５ａ，６ａまで延びる。前記中空部５ｅ，６ｅは、それぞれ、末端部５ｆ，６ｆを有する。光ファイバー７ａ，７ｂは、当該光ファイバー７ａ，７ｂの中央線が前記光入射面５ｅ，６ｅにおいてそれぞれ前記ＣＯＧ５，６の前記軸心線１と同軸となるように、当該光入射面５g，６gにおいて前記ＣＯＧ５，６の前記末端部５ｆ，６ｆにそれぞれ接続される。
【００３３】
矢印Ｒは、光ファイバー７ａ，７ｂが導く電子インターフェース（図示せず）の方向を示す。
【００３４】
ＣＯＧ５，６の周壁５ｂ，６ｂは、それぞれ、前記周壁５ｂ，６ｂの内部空間の中に、光ファイバー７ａ，７ｂから入射する全ての光線を封じ込める構造及び構成を備えており、これによって、図１の配置では、ＣＯＧ５，６によって、２つの同心円状の光線が、光学ディスク２の方向へ出射されることが理解されよう。
【００３５】
図３に、回転する光学ディスク２の拡大図を示す。光学ディスク２は、吸収性材料から製造される。この光学ディスク上には、透過窓２１及び吸収領域２２を交互に繰り返す２つの同心円パターン１９，２０が設けられる。この好適な実施形態によれば、光学ディスク２における２つの同心円パターン１９，２０は、所定の角度偏差を持つように設定される。しかしながら、他のパターンを使用することも可能であること、及び、本発明やこの好適な実施形態が図３において一例として示されるパターンのみに限定されるものではないこと、が理解されよう。
【００３６】
再び図１を参照すると、本発明の方法によれば、図１のＣＯＧ５，６の端部５ｃ，６ｃそれぞれから出射される光線は、光学ディスク２の方向へ向けられる。各ＣＯＧ５，６のサイズは、ＣＯＧ５が入力光線を径方向に拡げ光学ディスク２に設けた２つの同心円パターンのうち径方向内周側の第１円環状ビームとし、ＣＯＧ６が入力光線を径方向に拡げ光学ディスク２に設けた２つの同心円パターンのうち径方向外周側の第２円環状ビームとするように、選択される。
【００３７】
光学ディスク２には、交互に繰り返す透過窓２０及び吸収領域２１から成るパターンがあることから、前記ＣＯＧ５，６の前記端部５ｃ，６ｃから出射される各円環状ビームの光は、それぞれ、前記光学ディスク２の吸収領域２１において部分的に吸収されるとともに一部は透過窓２１を経由してミラー４に伝達される。
【００３８】
図４は、図１の光学エンコーダ装置において、図３に示す光学ディスクと共にミラー４として運用するのに好適なミラーの拡大図である。その図４において最もよく示されるように、ミラー４は、光学ディスク２に対面する反射面４ａを有する。この反射面４ａでは、光学ディスク２のパターンと同じ幾何学的配置を備えた、吸収領域４ｂからなる２つの同心円パターン２３，２４が設けられる。しかしながら、他のパターンを使用することも可能であること、及び、本発明や図１及び図６〜９に示される実施形態が図４において一例として示されるパターンのみに限定されるものではないこと、が理解されよう。
【００３９】
再び図１を参照すると、前記ＣＯＧ５，６の前記端部５ｃ，６ｃのいずれか一方から出射された光線は、光学ディスク２上の透過窓２１を通じて伝搬され、ミラー４の反射特性を備えた領域に至ると、その光線は反射されて光学ディスク２へと戻され、該光学ディスク上の透過窓２１を通じて、再び、ＣＯＧ５，６の端部５ｃ，６ｃにそれぞれ達する。そして、この反射光線は、前記端部５ｃ，６ｃより再びＣＯＧ５，６へ入射し、それぞれ元の方向へＣＯＧの光入射面５ｅ，６ｅに導かれる。この光入射面５ｅ，６ｅで、光線は、光ファイバー７ａ，７ｂによってそれぞれ収集され、遠隔の上記電子インターフェースへと伝搬され、該電子インターフェースが、ロータリシャフトの回転角度及び回転方向を表す信号を生成する。
【００４０】
本発明の方法及び装置によれば、それぞれ、ＣＯＧ５，６の端部５ｃ，６ｃに戻される反射光の量は、回転する光学ディスク２の、ミラー４に対する相対的位置に依存する。光学ディスク２が、ミラー４の吸収領域２３が光学ディスク２の透過セクション２１に一致するような位置にあるときは、必ず、最小光量が反射される。光学ディスク２が、ミラー４の反射領域２４ａが、光学ディスク２の透過セクション２１に一致するような位置にあるときは、必ず、最大光量が反射される。光学ディスク２及びミラー４の同心円パターンは、ミラー４によって反射され光学ディスク２を経由して端部５ｃ，６ｃに向けて戻される光量が、モータシャフト３の回転角度の周期関数である１対の別々の光学信号をそれぞれ発生するように、設定される。
【００４１】
この好適な実施形態によれば、光学ディスク２及びミラー４上の同心円パターンは、所定の角度偏差を持つように設定される。その結果、前記一対の光学信号は、同じ角度周期形状を持ちつつ１/４の角度周期の位相差をもつ。
【００４２】
図５は、光源から出射された光を光ファイバーの中に向けて進入させるとともに、反射光を本発明のエンコーダから離れて配置され光検出器を用いた電子インターフェースへ導く、手法の１つを示す。図５の実施形態では、これを、よく知られたビームスプリッティング技術を用いて行う。図５に示されるように、ビームスプリッタ２５は、光源２７から出射された光２６が光ファイバー２８に向くように使用され、光ファイバー２８は、前記光２６を図５では示されない導波管部材に導く。さらに図５では、導波管部材から戻った反射光が、前記光ファイバー２８を経由して前記ビームスプリッタ２５に伝搬され、前記ビームスプリッタ２５が、２９で表される前記光を光検出器３０に振り向けている。次に、前記反射光２９は、光検出器３０によって電気信号３１に変換され、前記電気信号３１は、公知の技術によって電子インターフェース３２に送られる。図１の好適な実施形態では、２つの光線が２つの導波管部材から反射されて２つの電気信号が電子インターフェース３２に送られ、該電子インターフェース３２が、よく知られているようにこれらの信号を位置情報に変換するために使用可能であることが理解されよう。
【００４３】
図６は、本発明の光学エンコーダ装置の他の実施形態を、その軸心線１に沿った縦断面において示す。図６において、本発明の光学エンコーダ装置のうち、図１及び図６の実施形態に共通する構成要素は、同一の符号で表している。
【００４４】
図６の実施形態では、光学パターンを備え静止した光学ディスク３４が、光学ディスク２と同一の軸心線１を有しかつ光学ディスク２と同様に軸心線１に対し垂直な平面に位置するように、ＣＯＧ５，６の端部５ｃ，６ｃと回転する光学ディスク２との間に配置されている。
【００４５】
図６の実施形態のもう１つの特徴は、図１の光学パターンを備えたミラー４の代わりに、非反射領域のパターンのない反射面３５ａを備えたプレーンミラー３５が使用され、前記プレーンミラー３５が軸心線１に沿って前記光学ディスク２と同軸に構成され、前記プレーンミラー３５が前記光学ディスク３４及び前記光学ディスク２へと臨む反射面３５ａを有すること、である。
【００４６】
図７は、図６の実施形態と同様、本発明の光学エンコーダ装置のさらに他の実施形態を示す。図７において、図６及び図７に共通する構成要素には同一の符号を用いている。図７の実施形態では、回転する光学ディスク２が、前記ＣＯＧ５，６と、前記静止した光学ディスク３４との間に設けられる。
【００４７】
当該技術分野における当業者であれば、ミラー３５が固定され光学ディスク３４が回転する、図７の実施形態のさらなる変形例が可能であることが理解されよう。
【００４８】
図６及び図７の実施形態では、ＣＯＧ５，６の端部から出射される光に代えて、光学ディスク２及び光学ディスク３４の背後に設けた光源を使用可能であることが理解されよう。この場合、ＣＯＧ５，６は、光学ディスク２及び光学ディスク３４を経由した光を、それぞれ、前記ＣＯＧ５，６の光入射面５ｅ，６ｅに向けてガイドする機能のみを果たす。
【００４９】
さらに、図６及び図７の実施形態では、前記光学ディスク２及び光学ディスク３４を介した光量を直接検出するために、光学ディスク２及び光学ディスク３４の背後に設けた光センサー手段を使用可能であることが理解されよう。
【００５０】
図８は、図６の実施形態と同様、静止した光学ディスク３４と一体化された回転体３６とを含む本発明の光学エンコーダ装置のさらに他の実施形態を示している。前記回転体は、反射特性及び吸収特性を交互に繰り返す領域を備えた単一のディスクが実現されるように、ミラー３６ａ及び光学ディスク３６ｂを備えている。前記回転体は、ロータリシャフト３に固定され、光学ディスク３４に垂直な面に対して平行な垂直面内に位置している。この好適な実施形態の別の変形例、すなわち、ミラー３６ａ及び光学ディスク３６ｂが、別々にシャフトＸに固定される態様も使用が可能であることが理解されよう。本発明の光学エンコーダ装置の構成要素のうち、図６及び図８の実施形態と共通のものは、同一の符号で表している。
【００５１】
図９は、図６の実施形態と同様、ミラーが逆方向反射面によって置換される、本発明の光学エンコーダ装置の実施形態を示す。当業者であれば、本発明の光学エンコーダ装置に、逆方向反射面、すなわち、入射光をその入射方向に対し正確に平行かつ反対となる方向に反射する特性を有する面、を適用することの効果を認識するであろう。図９により特定されるこの実施形態では、逆方向反射面は、透過性の材料により構成された２つの円環状のＶ字形状の突起３７ａ，３７ｂの形で光学ディスクの後面に提供される。前記Ｖ字形状の突起３７ａ，３７ｂのそれぞれの角度３７ａ.１，３７ｂ.１は、ＣＯＧから出射された光線を該ＣＯＧに戻すように、それぞれ９０度となっている。好適には、これら２つのＶ字形状の突起は、図８に示すミラーを置き換え可能である。
【００５２】
本発明の光学エンコーダ装置の上記種々の実施形態において適用されるいずれのミラー及び反射面も、逆方向反射面によって置き換え可能であることが理解されよう。
【００５３】
図１０では、図１の光ファイバー７ａ，７ｂ等の光ファイバーに代えて光ファイバー３８の束を使用する、さらに他の実施形態が示される。
【００５４】
図１０に、前記束３８に備えられる複数の光ファイバーｆ１〜ｆ７の斜視図を示しつつ、ＣＯＧ３９に備えられた端部３９ａの対称軸を含む断面で２等分した断面図を示す。図１０に示されるように、前記光ファイバーｆ１〜ｆ７は、光入射面４０において前記ＣＯＧ３９の開口した端部３９ａに挿入される。その端部３９ａでは、光をＣＯＧ３９に出射するために光ファイバーｆ１が使用される一方、光学エンコーダ装置によって戻されて出射される光を受け取るために、光ファイバーｆ２〜ｆ７が使用される。好適には、光ファイバーｆ１〜ｆ７の束は、図１及び図６〜図９の実施形態等の光学エンコーダ装置に適用されて、図５に示したビームスプリッティング技術を置き換える。再び図１０を参照すると、光を出射するファイバーｆ１は、図示しない光源に接続され、一方、光を受け取って入射するファイバーｆ２〜ｆ７は、同様に図示しない光センサーに接続される。本実施形態のために使用される光ファイバーの数は、入射用又は出射用に使用される前述の光ファイバーの数と同様、変化させてもよいこと、及び、光ファイバーを２つ以上の束にして配置してもよいこと、が理解されよう。
【００５５】
図１１には、静止した光学ディスク３４を置き換えるために、図６に示す実施形態等の光学エンコーダ装置に適用される、特別な形状のＣＯＧ４０が示される。図４では、ＣＯＧ４０の周壁の１つの領域、すなわち、水平方向に直線ＡとＡ１の間に延び、垂直方向に端部４０ａと端部４１の間に延びる領域が示される。ＣＯＧ４０の端部４１は、交互に繰り返す、出射／入射領域４１ａと非・出射／入射領域４１ｂとに分割される。出射／入射領域４１ａは、光学ディスク２に対して平行な端面４１ａ．１を有し、非発光領域４１ｂは、光学ディスク２に対しある角度をなす端面４１ｂ．１を有し、これによって、非発光領域４１ｂから出射される光線は、破線４２によって示されるように偏向されて消失する。一方、発光領域４１ａから出射される光線は、破線４３によって示されるように光学ディスク２に達する。暗領域４２ａ及び明領域４２ｂは、上記光学ディスク２において交互に繰り返される光吸収領域及び光透過領域をそれぞれ示していることが理解されよう。本発明のこの実施形態は、静止した光学ディスクを省略でき、かつ、ＣＯＧ４０の端部４１を、回転する光学ディスク２に対しより近い位置に設置可能であるという効果を奏する。さらに、反射光の結果的損失が減らされ効率が向上すること、すなわち、反射光の入射光に対する比率が増大することが理解されよう。
【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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【外国語明細書】
Optical Encoder Apparatus
Background:
This invention relates to Optical Encoders that are of common use for electrical motors or other rotating devices. Examples of such optical encoders can be found in Patents US 4,268, 747 by Becchi et al. (1981), and US 4,410, 798 by Breslow (1983).
Ever since their invention, Optical Encoders have been widely used as position feedback devices for rotary shaft position control in robots, automatic machines and other assemblies. 
Known encoders use a rotating optical disc fixed on the motor shaft, the disc having a pattern of sections of alternating optical properties (for example slots having transparent and opaque sections). The disc is placed on the path of an optical beam, between a light emitter and a light sensor. The light sensor then creates an electronic signal the amplitude of which will change periodically according to shaft position. An electronic circuit is then used to count the number of periods of the electronic signal, thus providing information on the instant shaft position, relative to an initial position. 
A pair of optical beams are used to sense the direction of rotation, wherein the path of the second beam is positioned in such a way as to produce a second electrical signal similar to the first one, but shifted in angular position by a quarter of the period of the first signal. Such two signals will be further said to be in quadrature. 
An improvement of the above method consists of using a light beam that covers several of the sections with alternating optical properties, while placing a fixed mask between the rotating optical disc and the light sensor. The mask has a pattern identical to the disc pattern, and covers at least the surface of the light sensor. Whenever mask and disc patterns coincide, a maximum of light is transmitted whereas when the mask and disc and mask pattern are in opposite phase, light transmission is minimum. Thus the amount of light transmitted to the sensor and the amplitude of the electronic signal created by the sensor become a periodic function of the angular position.
There is a continuing trend of improving the precision and resolution of position feedback devices. 
A first factor limiting precision is a small eccentric movement of the rotating optical disc, which is due to some mechanical tolerance. Since the two beams intersect the optical disc at defined positions on the disc, on one side of the shaft, a lateral movement of the shaft influences the amount of light that reaches the light detector, thus creating error in the position information. Such a lateral movement can be caused by tolerance in the roll bearing holding the shaft, or in the optical disc assembly. 
A second factor is the precision of the pattern on the rotating disc. Irregularities in that pattern will generate unequal periods such that the optical disk will fail to indicate the angular position of the shaft. Since the two beams intersect the optical disc at a defined position on the disc, on one side of the shaft, irregularities of the disc pattern will influence the amount of light that reaches the light detector, introducing errors in the position information. 
A third factor is the insufficient precision of the phase difference between the two signals in quadrature, this phase difference being obtained by a predetermined relative positioning of the two receptors, whose precision is limited. 
In another aspect, when the resolution of an optical encoder is increased, the frequency of the electric signal generated is also increased. Such high frequencies become more difficult to transmit through wires and a problem of noise immunity arises. The wires must then be shielded, resulting in higher cost and reduced reliability of the system. 
In some encoders, this difficulty is overcome by using a serial communication line between the encoder and the controller. However in this case an electronic circuit must be added to convert the electric signals into a serial code. Also a delay is introduced between the encoder position detection and the actual, position information read by the controller. 
A further drawback of known Optical Encoders is the need for an electronic circuit inside the encoder itself. This electric circuit is most commonly used to shape the two electrical signals in square pulses. Such an electrical circuit requires power supply and thus additional wires to the encoder. Again the cable size and number of conductors is increased, resulting in a reduced reliability for example when used in an industrial environment. In addition the cost of the electronic interface and of assembling the interface inside the encoder is relatively high. 
It is therefore desirable to design an Optical Encoder that overcomes the drawbacks of the commonly used encoders. It is desirable to have an Optical Encoder that requires no power supply and in which no delay is introduced in the position information. It is further desirable to have an optical encoder in which the position signal is a) immune to electrical noise, b) not sensitive to the mechanical eccentric movements of the disc during rotation, c) not sensitive to encoder disc mounting imprecision or to the irregularities of the encoder disc pattern and d) not sensitive to the mechanical vibrations of the disc. 
Summary of the Invention
The present invention concerns an Optical Encoder assembly comprising a rotating optical disc and a mirror, wherein optical beams are emitted from an electronic interface and transmitted by optical fibers to one or more Cylindrical Optical Guides having a symmetry axis with the same orientation as the rotation axis of the rotating optical disk. Due to the inventive design of the Cylindrical Optical Guides the optical beams emitted from the Cylindrical Optical Guides are distributed over the circumference of the rotating optical disc. Light beams are propagated through the rotating optical disc to the mirror and then reflected by the mirror such that they are propagated backwards through the said rotating optical disc to the Cylindrical Optical Guides and from the Cylindrical Optical Guides to the optical fibers to be transmitted to the said distant electronic surface where the position indication is produced. 
Brief Description of the Drawings:
Fig 1 shows a median sectional view of one embodiment of an encoder assembly according to the invention. 
Fig 2 shows a perspective view of a Cylindrical Optical Guide, and the path of optical rays. 
Fig 3 shows a Rotating Optical disc
Fig 4 shows a Patterned Mirror 
Fig 5 shows an embodiment where light beams input to the encoder, and light beams returned by encoder are separated by means of a beam splitter
Fig 6 shows a median sectional view of a second embodiment where a static optical disc placed between the rotating optical disc and the Cylindrical Optical Guides replaces the pattern on the mirror of the first embodiment. 
Fig 7 shows a median sectional view of a third embodiment where a static optical disc placed between the rotating optical disc and the mirror replaces the pattern on the mirror of the first embodiment. 
Fig 8 shows a median sectional view of a further embodiment of the encoder assembly of Fig 6, where the mirror is directly attached on the back of the rotating optical disc 
Fig 9 shows a median sectional view of another embodiment where a"Comer Reflector surface"replaces the mirror 
Fig 10 shows a bundle of fibers to be applied in an optical encoder assembly in accordance with an embodiment of the invention 
Fig 11 shows a median sectional view of an embodiment as in fig 6, in which the fixed optical disc is replaced by a special design of the Cylindrical Optical Guide terminal circumferential rim. 
Detailed description of the preferred embodiment 
The present invention concerns a method for indicating a rotation angle using an Optical Encoder system that comprises a rotating optical disc, a mirror and at least one Optical Guide having a common symmetry axis, wherein optical beams are emitted from the said Optical Guide such that they are distributed over the circumference of the said rotating optical disc. The beams of light are propagated through the said rotating optical disc onto the said mirror and they are reflected by the said mirror such that they are propagated backwards through the said rotating optical disc into the said Optical Guide. The amount of reflected light emerging from the Optical Guide is measured and a signal is created depending on the rotation angle and indicating the said rotation angle. 
According to another aspect the present invention proposes an Optical Encoder assembly comprising a rotating optical disk attached on a rotary shaft, a Cylindrical Optical Guide (COG) having a symmetry axis with the same orientation as the rotation axis of the rotating optical disk and the rotary shaft and a mirror disposed in parallel to the said rotating optical disk such that the rotating optical disk is positioned between the COG and the mirror, the said Optical Encoder assembly further comprising at least one optical fiber having a first end at a light entrance surface through which light is emitted into or received from the said COG and a second end connecting to an electronic interface. 
According to yet another aspect the present invention proposes a method for indicating a rotation angle of a rotary shaft using an optical encoder assembly with a first Optical Guide of radial symmetry (OG) that is installed within a second OG of radial symmetry such that the said first and second OGs have a common symmetry axis with the same orientation as the rotation axis of the rotating optical disk, wherein light beams are emitted in the direction of the rotating optical disk from an electronic interface via optical fibers and the said light beams are distributed in the form of two beams with a common radial symmetry center over the circumference of the said rotating optical disc by means of the said OGs. In accordance with the inventive method light rays from the said beams are propagated through the said optical disc in the direction of the mirror and they are reflected by the said mirror such that they pass through the said optical disc in a reverse direction and reenter the said OGs. Each of the OGs then guides the reflected light rays received in it back to the said distant electronic interface by means of the said optical fibers. The said distant electronic interface then converts the optical signals into electronic signals indicating the rotation angle of a shaft onto which the rotating optical disk is affixed. 
In accordance with one advantage of the inventive method and assembly highly increased precision can be obtained due to the averaging of the light intensity going through the rotating optical disk over the circumference of the optical disk, this averaging property reducing imprecisions due to mechanical tolerances and irregularities of the rotating optical disk pattern. 
It is another advantage of the inventive method and assembly that the electronic interface can be integrated separately inside a system in which the Optical Encoder assembly is implemented such as a motor controller system and that no power supply is required within the Optical Encoder. 
It is a further advantage of the inventive assembly and method that no delay is introduced in the angular position information. 
It is yet another advantage of the inventive assembly and method that the position signal is a) immune to electrical noise, b) not sensitive to the mechanical eccentric movements of the disc during rotation, c) not sensitive to encoder disc mounting imprecision or to the irregularities of the encoder disc pattern and d) not sensitive to the mechanical vibrations of the disc. 
The invention will be described herein below in respect of a preferred embodiment. It will be understood however that other variations and modifications may be made that still remain within the scope of the invention and the claims. 
Referring to Fig 1, a preferred embodiment of an Optical Encoder assembly according to the invention is shown in median sectional view along its symmetry axis 1. The Optical Encoder assembly comprises a rotating Optical Disc 2 that is attached on a Rotary Shaft 3; a mirror 4 that is aligned behind the rotating Optical Disk 2 and in parallel with the said rotating Optical Disk 2 with its reflective surface 4a facing the said rotating Optical Disk 2. The Optical Encoder assembly further comprises a pair of Optical Guides with a cylindrical shape, hereinbelow Cylindrical Optical Guides (COG) 5 and 6, wherein COG 5 has a terminal circumferential rim 5a and a hollow inner volume 5b, and COG 6 has a terminal circumferential rim 6a and a hollow inner volume 6b. The COG 5 has the same shape as the COG 6 but it has a smaller size. The COG 5 is disposed within the hollow inner volume 6b of the COG 6 with the terminal circumferential rims 5a and 6a of the COGs 5 and 6 respectively facing the said rotating Optical Disk 2 such that the symmetry axes of the said COGs 5 and 6 and the rotating axis of the said Motor Shaft 3 are aligned with the assembly symmetry axis 1. 
As seen best in Fig. 2, that is a perspective view of a COG according to the preferred embodiment of Fig. 1, generally designated (A), the COG (A) is a hollow structure with a symmetry axis (X) and a transparent surrounding wall (W). In accordance with the preferred embodiment the COG (A) comprises a hollow cylindrical part 7 with a hollow inner volume 8, the said transparent surrounding wall having at a first end of the said hollow cylindrical part 7 a terminal circumferential rim 9. A hollow funnel shaped part 10 is extending from a second end of the said hollow cylindrical part 7 distally to the said terminal circumferential rim 9, the said hollow funnel shaped part 10 having a hollow inner volume 10b and an end part 11. An Optical Fiber 12 enters the COG at a light entrance surface 13 within the said end part 11, such that the middle line of the The invention will be described herein below in respect of a preferred embodiment. It will be understood however that other variations and modifications may be made that still remain within the scope of the invention and the claims. 
Referring to Fig 1, a preferred embodiment of an Optical Encoder assembly according to the invention is shown in median sectional view along its symmetry axis 1. The Optical Encoder assembly comprises a rotating Optical Disk 2 that is attached on a Rotary Shaft 3; a mirror 4 that is aligned behind the rotating Optical Disk 2 and in parallel with the said rotating Optical Disk 2 with its reflective surface 4a facing the said rotating Optical Disk 2. The Optical Encoder assembly further comprises a pair of Optical Guides with a cylindrical shape, hereinbelow Cylindrical Optical Guides (COG) 5 and 6, wherein COG 5 has a terminal circumferential rim 5a and a hollow inner volume 5b, and COG 6 has a terminal circumferential rim 6a and a hollow inner volume 6b. The COG 5 has the same shape as the COG 6 but it has a smaller size. The COG 5 is disposed within the hollow inner volume 6b of the COG 6 with the terminal circumferential rims 5a and 6a of the COGs 5 and 6 respectively facing the said rotating Optical Disk 2 such that the symmetry axes of the said COGs 5 and 6 and the rotating axis of the said Motor Shaft 3 are aligned with the assembly symmetry axis 1. 
As seen best in Fig. 2, that is a perspective view of a COG according to the preferred embodiment of Fig. 1, generally designated (A), the COG (A) is a hollow structure with a symmetry axis (X) and a transparent surrounding wall (W). In accordance with the preferred embodiment the COG (A) comprises a hollow cylindrical part 7 with a hollow inner volume 8, the said transparent surrounding wall having at a first end of the said hollow cylindrical part 7 a terminal circumferential rim 9. A hollow funnel shaped part 10 is extending from a second end of the said hollow cylindrical part 7 distally to the said terminal circumferential rim 9, the said hollow funnel shaped part 10 having a hollow inner volume 10b and an end part 11. An Optical Fiber 12 introduces light rays into the COG through a light entrance surface 13 of the said end part 11, such that the said Optical Fiber 12 is aligned with the said symmetry axis (X) of the COG at the said light entrance surface 13. 
The COG behaves by the same principle as an Optical Fiber. The shape and material of the COG is designed in such a way that Optical rays entering the COG (A) via the Optical Fiber 12 will always encounter the inner surface or the outer surface of the transparent surrounding wall (W) at an incident angle that is smaller than the Total Reflection minimum angle. Consequently, and as demonstrated in Fig. 2, the Optical rays 15, 16, introduced to the COG (A) through the Optical Fiber 12, are reflected into the inner volume of the said transparent surrounding wall (W) to be confined within the said inner volume of the transparent surrounding wall (W) until they reach the said terminal circumferential rim 9 of the COG (A) where the Optical rays 15, 16 output the COG volume. It will be understood that the light beam emerging from the said terminal circumferential rim 9 will have a circular shape. 
It will be understood that the inventive Optical Guide may be made in accordance with different designs including non symmetrical designs as long as the terminal circumferential rim remains
Referring again to Fig. 1, each of the COGs 5 and 6 comprises a hollow cylindrical part respectively designated 5c and 6c and each of the said COGs 5 and 6 is surrounded by peripheral walls 5d and 6d respectively, the said peripheral walls 5d and 6d terminating in terminal circumferential rims 5a and 6a respectively. Funnel shaped hollow parts 5e and 6e are extending from the said cylindrical parts 5a and 6a respectively, distally to the said terminal circumferential rims 5a and 6a. The said funnel shaped hollow parts 5e and 6e have end parts 5f and 6f respectively and Optical Fibers 7a, 7b are connected to the said ends 5f and 6f of the said COGs 5 and 6 at light entrance surfaces 5g and 6g respectively such that the middle lines of the said Optical Fibers 7a, 7b are aligned with the said symmetry axis 1 of the said COGs 5 and 6 at the said light entrance surfaces 5e and 6e respectively. 
An arrow R indicates the direction of an electronic surface (not shown) to which the Optical Fibers 7a and 7b are leading. 
It will be understood that due to the structure and composition of the peripheral walls 5b and 6b of the COGs 5 and 6 that confines any light rays coming from the Optical Fibers 7a and 7b respectively within the inner volumes of the said peripheral walls 5b and 6b, in the arrangement of Fig. 1 two concentric circular beams of light will be emitted by the COGs 5 and 6 in the direction of the Optical Disk 2. 
In Fig 3 an enlarged diagram of the rotating Optical Disk 2 is shown. The rotating Optical Disk 2 is made of an absorbent material. On the rotating Optical Disk two concentric circular patterns 19 and 20 of alternating transparent windows 21 and absorbent sections 22 are provided. In accordance with the preferred embodiment, the two concentric patterns 19 and 20 on the rotating Optical Disk 2 are designed with a fixed angle offset. It will be understood however that other patterns may be used and neither the invention nor the preferred embodiment are limited to the pattern that is shown in Fig. 3 by way of example only. 
Referring again to Fig. 1, in accordance with the inventive method the light rays exiting from each of the terminal circumferential rims 5c and 6c of the COGs 5 and 6 of Fig. 1 respectively are directed towards the rotating Optical Disk 2. The respective sizes of the COGs 5 and 6 are selected such that the COG 5 spreads the input Optical beam into a first circular beam on the inner of the two circular concentric patterns provided on the rotating Optical Disk 2 while the COG 6 spreads the input Optical beam into a second circular beam on the outer of the two circular concentric patterns provided on the said rotating Optical Disk 2. 
Due to the pattern of alternating transparent windows 20 and absorbent sections 21 on the rotating Optical Disk 2, rays of light in each of the circular beams emerging from the said terminal circumferential rims 5c and 6c of the said COGs 5 and 6 respectively are partially absorbed in the absorbent sections 21 of the said Optical Disk 2 and partially transmitted to the mirror 4 through the transparent windows 21. 
As seen best in Fig. 4, that is an enlarged diagram of a mirror suitable to be applied as the mirror 4 in the Optical encoder assembly of Fig. 1 together with the Optical Disk shown in Fig. 3, the mirror 4 has a reflective surface 4a facing the rotating Optical disk 2. On the reflective surface 4a two concentric circular patterns 23 and 24 of absorbent sections 4b are provided, with a geometric arrangement similar to that of the Rotating Optical Disk 2. It will be understood however that other patterns may be used and neither the invention nor the embodiments shown in Figs 1 and 6-9 are limited to the pattern that is shown in Fig. 4 by way of example only. 
Referring again to Fig. 1, whenever optical rays of a beam of light emerging from one of the said terminal circumferential rims 5c and 6c of the said COGs 5 and 6 and propagated through the transparent windows 21 on the Optical Disk 2 encounter a section of the mirror 4 having reflective properties, the said optical rays are reflected backward to the Rotating Optical Disk 2, and through the transparent windows 21 on the Rotating Optical Disk they regain the terminal circumferential rims 5c and 6c of the COGs 5 and 6 respectively. The reflected light rays then reenter the COGs 5 and 6 through the said terminal circumferential rims 5c and 6c, to be guided back to the COG light entrance surfaces 5e and 6e respectively where they are collected by the optical fibers 7a and 7b and conducted to the distant electronic surface that produces the signals indicating the rotation angle and direction of the rotary shaft. 
In accordance with the inventive method and assembly, the amount of reflected light returned to the terminal circumferential rims 5c and 6c of the COGs 5 and 6 respectively is dependent on the position of the Rotating Optical Disk 2 relative to the mirror 4. Whenever the Rotating Optical Disk 2 is in a position where the absorbent sections 23 of the mirror 4 coincides with the transparent sections 21 of the Rotating Optical Disk 2, then a minimum of light is reflected. Whenever the Rotating Optical Disk 2 is in a position where the reflective section 24a of the mirror 4 coincides with the transparent sections 21 of the Rotating Optical Disk 2, a maximum amount of light is reflected. The concentric patterns of the Rotating Optical Disk 2 and the mirror 4 are designed so that the amounts of light reflected back from the mirror 4 through the Rotating Optical Disk 2 to the terminal circumferential rims 5c and 6c give rise to a pair of separate optical signals, each of the said optical signals being a periodic function of the rotation angle of the Motor Shaft 3. 
In accordance with the preferred embodiment, the concentric patterns on the Rotating Optical Disk 2 and the mirror 4 are designed with a fixed angle offset, so that the said pair of optical signals, having the same angular periodic form, present a quarter of the angular period phase difference. 
Fig 5 shows one way of directing a beam emitted from a light source into an Optical Fiber, and of guiding the reflected light to an electronic surface distant from the inventive encoder using a light detector. In the embodiment of Fig. 5 this is done by means of a well-known technique of beam splitting. As seen in Fig. 5, a Beam Splitter 25 is used to enable the propagation of a beam 26 emitted from a light source 27 towards an Optical Fiber 28 that conducts the said beam 26 to an Optical Guide, not shown in Fig. 5. It is further shown in Fig. 5 that a reflected light beam returning from an Optical Guide is propagated through the said Optical Fiber 28 to the said beam splitter 25 such that the said beam splitter 25 directs the said light beam, designated 29, to a light detector 30. The said reflected light beam 29 is then converted to an electronic signal 31 by means of the light detector 30 and the said electronic signal 31 is sent to an Electronic Interface 32 according to known techniques. It will be understood that in the preferred embodiment of Fig. 1 two beams will be reflected from two Optical Guides and two electronic signals will be sent to the Electronic Interface 32 such that the electronic interface 32 may be used to convert these signals into position information as known. 
Fig 6 shows another embodiment of the inventive Optical Encoder shown in vertical cross section along its symmetry axis 1, wherein the elements of the inventive Optical Encoder that are common to the embodiments of Figs 1 and 6 have been designated by the same numerals. 
In the embodiment of Fig. 6 a patterned static optical disk 34 is disposed between the terminal circumferential rims 5c and 6c of the COGs 5 and 6 and the rotating optical disc 2 such that the said patterned static optical disk 34 has the same symmetry axis 1 and lies in the same perpendicular plane as the rotating optical disk 2. It is a further characteristic of the embodiment of Fig. 6 that instead of the patterned mirror 4 of Fig. 1, in the embodiment of Fig. 6 a plain mirror 35, having a reflective surface 35a without a pattern of non reflective sections is used, the said plain mirror 35 being aligned in parallel with the said rotating Optical Disk 2 along the symmetry axis 1 and the said mirror 35 having a reflective surface 35a facing the said static Optical Disk 34 and the said Rotating Optical Disk 2. 
Fig 7 shows a further embodiment of the inventive Optical Encoder that is similar to the embodiment of Fig 6. In Fig. 7 the same numerals are used to designate elements that are common to Fig. s 6 and 7. In the embodiment of Fig. 7 the rotating optical disk 2 is placed between the said COGs 5 and 6 and the said fixed optical disc 34. 
It will be understood by those versed in the art that another variation of the embodiment of Fig. 7 may be made in which the mirror 35 is fixed and the optical disk 34 is rotating. 
It will be understood that in the embodiments of Figs 6 and 7 a light source positioned behind the rotating optical disk 2 and the patterned static optical disk 34 may be used instead of the light beams emitted from the terminal circumferential rim of the COGs 5 and 6. In this case the COGs 5 and 6 only serve to guide the light passing through the rotating optical disk 2 and the patterned static optical disk 34 to the light entrance surfaces 5e and 6e of the said COGs 5 and 6 respectively. 
It will be further understood that in the embodiment of Figs 6 and 7 light sensor means positioned behind the rotating optical disk 2 and the patterned static optical disk 34 may be used to directly sense the amount of light passing through the said optical disks 2 and 34. 
Fig 8 shows yet another embodiment of the inventive Optical Encoder that is similar to that of Fig 6, comprising a static Optical Disk 34 and an integrated rotating element 36, the said integrated rotating element comprising a mirror 36a and an Optical Disk 36b such that a single disk having sections with alternate reflective and absorbent properties is achieved The said integrated rotating element is fixed to the shaft 3 and lies in a perpendicular plane that is parallel to the perpendicular plane of the static Optical Disk 34. It will be understood that another variation of the preferred embodiment may be used in which the mirror 36a and the Optical Disk 36b are separately fixed to the shaft X. The elements of the inventive Optical Encoder that are common to the embodiments of Figs 6 and 8 have been designated by the same numerals. 
Fig 9 shows an embodiment of the inventive Optical Encoder that is similar to that of Fig 6, wherein the mirror is replaced by a retro-reflective surface. Those versed in the art will be aware of the advantages of applying a retro-reflective surface in the inventive Optical Encoder assembly, such surfaces having the characteristic of reflecting incident light rays in a direction that is exactly parallel and opposite to their incident direction. In the specific embodiment of Fig 9, the retro-reflective surface is implemented in the form of two annular V-shaped protrusions 37a and 37b of transparent material, on the back surface of the disc. The respective angles 37a. 1 and 37b. 1 of the said V shape protrusions 37a and 37b are 90 degrees, so that rays exiting the COGs will be returned to the COGs. These two V-shaped protrusions advantageously replace the mirror shown in Fig 8
It will be understood that any mirrors and reflective surfaces to be applied in the different embodiments of the inventive Optical Encoder assembly may be replaced by a retro-reflective surface. 
In Fig 10 yet another embodiment is shown wherein a bundle of optical fibers 38 is used in place of a single Optical fiber such as Optical fibers 7a and 7b of Fig. 1. 
Fig 10 shows a fractional median section of the end part 39 a of a COG 39 revealing a perspective view of a plurality of Optical Fibers fl-f7 comprised in the said bundle 38. As seen in Fig. 10, the said Optical fibers fl-f7 enter the open end 39a of the said COG 39 at a light entrance surface 40 wherein Optical Fiber fl is used for emitting light to the COG 39, while Optical Fibers f2-f7 are used to receive light returned by the Optical Encoder system. The bundle of optical fibers fl-f7 advantageously replaces the beam splitting technique shown in Fig 5 when applied in an Optical Encoder assembly such as the embodiments of Figs. 1 and 6- 9. Referring again to Fig. 10, the light emitting fiber fl is coupled to a light source, not shown, while the light receiving fibers f2-f7 are coupled to a light sensor that is also not shown. It will be understood that the number of optical fibers used for this embodiment may vary as well as the number of fibers used for light reception or light emission, and the optical fibers may be arranged in two or more bundles. 
In Fig 11 is shown a specially designed COG 40 to be applied in an Optical Encoder assembly such as the embodiment shown in Fig 6 so as to replace the static optical disk 34. In Fig. 4 only a section of the peripheral wall of the COG 40 is shown, horizontally extending between lines A and Al and vertically extending between the end part 40a and the terminal circumferential rim 41. The terminal circumferential rim 41 of the COG 40 is divided into alternating emitting/receiving sections 41a and non-emitting/receiving sections 41b, wherein an emitting/receiving section 41a has a terminal surface 41a. 1 parallel to the rotating optical disc 2 and a non-emitting section 41b has a terminal surface 4 1 b. I presenting an angle with the rotating optical disc 2, such that rays of light emerging from a non-emitting section 41b are deflected and lost as shown by the dashed line 42 while rays of light emerging from an emitting section 41 a reach the rotating optical disk 2 as shown by dashed line 43. It will be understood that the dark areas 42a and the light areas 42b indicate the alternating light absorbent areas and transparent areas of the optical disk 2 respectively. This embodiment of the invention has the advantage that the static optical disc is eliminated, and the terminal circumferential rim 41 of the COG 40 can be installed at a position closer to the rotating optical disc 2. It will be further understood that as a result loss of reflected rays is diminished and efficiency is improved, i. e. the ratio of reflected rays relative to incident rays is increased.
Claims: 
1.     An optical encoder apparatus comprises: 
a rotary shaft disposed rotatable;
at least one guide cylinder member having a funnel shape, in which a size of said guide cylinder member along a radial direction enlarges from one side to other side along an axis direction; and
a optical disk having at least one predetermined optical pattern at desired areas of outer circumferential portion of a radial direction, said optical disk being disposed at said rotary shaft so as to be positioned in said other side of said axis direction from said guide cylinder member, wherein:
said guide cylinder member comprises:
a light input/output surface configured to input a light from a light source and to output a light to optical detection means, said light input/output surface being disposed near an end portion in said one side of said axis direction;
an input/output opening having a substantially circumferential shape for outputting a light to said optical pattern of said optical disk and inputting a reflection light, said reflection light generated by said optical pattern and dependent on a mode of said optical pattern,
said input/output opening extending along all circumferential area at an end portion in said other side of said axis direction;
an input light reflection portion for reflecting a light being inputted from said light input/output surface to circumference side of the radial direction, said input light reflection portion being disposed in a center portion of the radial direction and disposed on the end portion of the one side of said axis direction, so as to protrude toward said light input/output surface;
an optical guide volume configured to guide the light reflected to circumference side of the radial direction by said input light reflection portion to said input/output opening and to guide said reflection light to the one side of said axis direction and an inner side of the radial direction, said reflection light inputted from said input/output opening, said input/output opening being in said other side of said axis direction and in said circumference side of the radial direction; and
an output light reflection portion for reflecting said reflection light guided by said optical guide volume to a side of said light input/output surface; said output light reflection portion being disposed in the center portion of the radial direction and disposed on the end portion of the one side of said axis direction, so as to protrude toward said light input/output surface, wherein
said rotary shaft, said light input/output surface of said guide cylinder member, and said optical disk have said axis in common.
2.     The optical encoder apparatus according to claim 1, wherein:
said light input/output surface comprises:
a first surface domain configured to input a light introduced to said input light reflection portion, said first surface domain being disposed at a center portion of the radial direction; and
a second surface domain configured to output a light introduced from said output light reflection portion, said second surface domain being positioned in an outer portion along the radial direction than said first surface domain.
3.     The optical encoder apparatus according to claim 2, wherein:
said optical pattern of said optical disk comprises a reflection surface having a cross section of V-shape, said optical pattern being configured to input a light reflected by said input light reflection portion and outputted from said light input/output surface and being configured to reflect the light along a direction that is reverse as well as is parallel to the inputting direction so that the reflected light is introduced to said output light reflection portion.
4.     The optical encoder apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein:
each of said input light reflection portion and said output light reflection portion is disposed in a portion that is protruded into said optical guide volume by means of forming a substantially cone-shaped hollow on an other surface of said guide cylinder member towards said light input/output surface, the other surface being opposite to said input/output surface along said axis direction.
5.     The optical encoder apparatus according to claim 3 or 4, wherein:
an angle that an axis intersects said input light reflection portion in a cross section including said axis is less than an angle that the axis intersects said output light reflection portion in the cross section.
6.     The optical encoder apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein:
said at least one guide cylinder member include not only a first guide cylinder member positioned at a inner side of a radial direction but also a second guide cylinder member positioned at a outer side of the radial direction than said first guide cylinder member,
said at least one optical pattern of said optical disk include not only a first optical pattern positioned at a inner side of a radial direction in accordance with said first guide cylinder member but also a second optical pattern positioned at a outer side of the radial direction than said first optical pattern in accordance with said second guide cylinder member,
said first cylinder member comprises:
a first light input/output surface configured to input a light from a light source and to output a light to optical detection means;
a first input/output opening having a substantially circumferential shape for outputting a light to said first optical pattern of said optical disk and inputting a reflection light, said reflection light generated by said first optical pattern and dependent on a mode of said first optical pattern;
a first input light reflection portion for reflecting a light being inputted from said first light input/output surface to circumference side of the radial direction;
a first optical guide volume configured to guide the light reflected by said first input light reflection portion to said first input/output opening and to guide said reflection light inputted from said first input/output opening; and
a first output light reflection portion for reflecting said reflection light guided by said first optical guide volume to a side of said first light input/output surface, and
said second cylinder member comprises:
a second light input/output surface configured to input a light from a light source and to output a light to optical detection means;
a second input/output opening having a substantially circumferential shape for outputting a light to said second optical pattern of said optical disk and inputting a reflection light, said reflection light generated by said second optical pattern and dependent on a mode of said second optical pattern;
a second input light reflection portion for reflecting a light being inputted from said second light input/output surface to circumference side of the radial direction;
a second optical guide volume configured to guide the light reflected by said second input light reflection portion to said second input/output opening and to guide said reflection light inputted from said second input/output opening; and
a second output light reflection portion for reflecting said reflection light guided by said second optical guide volume to a side of said second light input/output surface.
Abstract:
An optical encoder apparatus for measuring a rotation angle in which optical beams are spread over the circumference of a rotating optical disk by means of optical guides (OG). In the preferred embodiment the rotating optical disk has a pair of concentrically arranged circular patterns with alternating transparent and opaque sections. Each beam is input via optical fibers to one of a pair of concentrically disposed OGs with a cylindrical shape (COGs) respectively and propagated through the optical disk to be reflected by a mirror with two concentrically disposed circular patterns of reflective and non reflective sections, reentering the COG through the optical disk in a reverse direction. The COGs then guide the light beams back to an electronic interface that converts the optical signals into electronic signals producing position information. Considerably elevated precision can be obtained due to the averaging of the light intensity going through the disk on a substantially large part of the optical disk.
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