(57)【要約】【課題】モータの動作を制御するための電気装置の要件を最小にする光学的エンコーダ装置および方法を提供する。【解決手段】モータの軸１８に結合されるエンコーダ・ディスク３０を使用して、定格の電力周波数、速度および電源電圧でモータを動作させる方法であって、入射する放射エネルギーのパターン３２に応答して電気信号を生成する光検出手段と、モータの軸によって駆動されるように構成され、図形関数に従って、モータを定格の速度で駆動するための電気整流信号が前記光検出手段によって生成されるように放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段と備え、前記パターンは、モータを定格の速度で駆動する信号を生成するための波形及び周波数を有する電気整流信号が有するべき定格電力周波数を生成するのに必要なサイクル数よりも大きい最小の整数とされた。【選択図】図１
2008118853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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て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連結されていて、前記モータの軸によって駆動されるように構成され、前記モータによって駆動されると図形関数に従って、前記モータを定格の速度で駆動するための電気整流信号が前記光検出手段によって生成されるように、前記光検出手段に入射する前記放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段と、を備え、
前記図形関数は、前記モータを前記定格の速度で駆動する信号を生成するための波形及び周波数を有する電気整流信号が生成可能となるように設定され、且つ、前記モータ軸の前記周期的運動の一回転あたりの前記電気整流信号のサイクル数を定義し、該サイクル数が、前記モータを前記定格の速度で動作する場合に、前記電気整流信号が有するべき定格電力周波数を生成するのに必要なサイクル数よりも大きい最小の整数とされ、
前記方法が、
（ａ）前記エンコーダ装置を前記モータの前記軸に結合する段階と、
（ｂ）前記モータの前記軸が回転するように、前記モータを回転させる段階と、
（ｃ）前記エンコーダから前記電気整流信号を生成する段階と、
（ｄ）前記電気整流信号を、前記モータの前記定格の速度を生成するレベルまで増幅する段階と、
（ｅ）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、
を含むことを特徴とするモータを動作させる方法。
【請求項２】
（ｆ）前記電気整流信号のレベルを変化させて前記モータの前記速度を変化させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１記載のモータを動作させる方法。
【請求項３】
交流誘導モータの回転子の運動を電気信号に変換して、該交流誘導モータを所望の動作速度で駆動するための波形及び周波数を有する電気整流信号を生成するための光学的エンコーダ装置であって、前記交流モータは駆動電流の周波数によって定まる理論的な同期速度を有し、前記エンコーダ装置は、
入射する放射エネルギーのパターン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ていて、前記モータの前記回転子によって作動され、図形関数に従って前記光検出手段に入射する前記放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段と、を備え、
該光学的手段が、前記モータの前記回転子の運動に従って前記光検出手段に相対的に走査するよう構成される光学要素を含み、該光学要素は前記光検出手段に光学的に連結された光学的に検出可能なパターンを有し、
前記光学的手段が、更に、前記光学要素のパターンにより修正された放射エネルギーを前記光検出手段まで通過させる為の、前記光検出手段に関連するアパーチャ手段を含み、
前記光学要素のパターン及び前記アパーチャ手段は、前記図形関数によって定義され、該図形関数は、前記モータを所望の動作速度で駆動するための電気整流信号の波形によって決定されると共に前記モータ回転子の一回転に亘る波形のサイクル数によって定義され、前記波形のサイクル数は前記設計上の理論的な同期速度で前記電気整流信号の周波数を生成するのに必要なサイクル数よりも大きい最小の整数とされ、
それによって、前記光学要素のパターンが前記アパーチャ手段に対し走査されると、前記電気整流信号が前記光検出手段から生成されることを特徴とする光学的エンコーダ装置。
【請求項４】
電気機械的装置の周期的運動を、前記装置の前記周期的運動の一回転当たりの電気整流信号のサイクル数に対応するパターンを定義する図形関数に基づいて所望の電気信号に変換する光学的エンコーダを構成する方法であって、該方法は、
（ａ）前記エンコーダに出力される所定の波形を有する電気信号を生成する光検出器を設ける段階と、
（ｂ）前記装置の前記周期的運動の関数として前記光検出器に入射する放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段を設ける段階と、
（ｃ）前記エンコーダに出力される所定の波形及び周波数を有する電気信号と前記装置の周期的運動との関係を定めるものであって、前記電気信号の波形およびサイクル数に対応して図形的に整形された図形関数を導き出す段階と、
（ｄ）動作に際し、前記光学的手段が前記少なくとも一つの図形的に整形され、生成すべき信号に対応するパターンを繰り返し生成するように位相調整されたパターンに従って前記光検出器に入射した放射エネルギーの前記パターンを修正するように、前記少なくとも一つの図形的に整形されたパターンで前記図形関数に従って前記エンコーダを構成する段階と、を有し、
それにより、前記エンコーダの動作に際しては、前記エンコーダの前記出力端に前記特定の電気信号が生成されることを特徴とする光学的エンコーダを構成する方法。
【請求項５】
前記少なくとも一つの図形的に整形されたパターンは、エリア・フィル方程式により導き出されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記光学的手段は、光学要素を含み、前記方法は更に、
（ｅ）前記光学的手段の前記光学要素を前記電気機械的装置の前記周期的運動に連結する段階を有することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記電気機械的装置の前記周期的運動は回転軸によって確定され、前記段階（ｅ）は前記光学要素を前記装置の前記軸に連結することを含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記段階（ｃ）は、更に前記所定の電気信号の位相に対応して前記パターンを整形することを含み、
前記方法は更に、
（ｆ）前記光検出器の位置に対し、少なくとも一つの前記図形的に整形されたパターンを前記モータ軸に対して位置決めし、少なくとも一つの図形的に整形されたパターンの相対的位置は、前記エンコーダの前記出力端に前記所定の電気信号用の位相を生成するよう選択されていることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記電気機械的装置は電気モータであり、その回転運動は前記モータの回転軸によって確定され、前記所定の電気信号は前記電気モータを駆動するための整流信号であり、前記方法は更に、前記モータの前記軸に前記エンコーダを連結する段階を有することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項１０】
前記光学的手段は、前記少なくとも一つの図形的に整形されたパターンを有するエンコーダディスクを含み、
前記段階（ｅ）は前記エンコーダディスクを前記モータの軸に連結することを含み、
前記段階（ｃ）は、更に前記所定の電気信号の位相に対応して前記パターンを整形することを含み、
前記方法は更に、
（ｇ）前記光検出器の位置に対し、少なくとも一つの前記図形的に整形されたパターンを前記モータ軸に対して位置決めし、少なくとも一つの図形的に整形されたパターンの相対的位置は、前記エンコーダの前記出力端に前記所定の電気信号用の位相を生成するよう選択されていることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記光学的手段は、前記少なくとも一つの図形的に整形されたパターンを有するエンコーダディスクを含み、前記モータは、少なくとも該モータの動作中に対応する極対数となる回転子を有し、前記少なくとも一つの図形的に整形されたパターンの数は前記モータの前記回転子の極対の数に対応し、
前記段階（ｅ）は、前記モータの前記軸に前記エンコーダディスクを連結する段階を含み、
前記方法は更に、
（ｈ）少なくとも一つの前記図形的に整形されたパターンを前記モータの前記回転子の前記極対に略位置合わせする段階を有することを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記モータは、巻線を備える固定子を有し、前記方法は更に、
（ｉ）前記エンコーダディスクから受けた放射エネルギーが前記光検出器まで前記マスクを通して通過することを可能にするアパーチャを有するマスクを、前記エンコーダディスクと前記光検出器の間に配置し、
（ｊ）前記マスクの前記アパーチャの位置及び前記モータの前記固定子の前記巻線に対する前記光検出器の位置を調節する段階を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
電気機械的装置の周期的運動を、前記装置の前記周期的運動の一回転当たりの電気整流信号のサイクル数に対応するパターンを定義する図形関数に基づいて所望の電気信号に変換する形式の光学的エンコーダを構成する方法であって、該方法は、
（ａ）前記装置の前記周期的運動から前記所望の電気信号を生成するエンコーダ手段を設ける段階と、
（ｂ）前記エンコーダの出力に特定の波形を有する特定の電気信号を指定する段階と、
（ｃ）前記装置の前記周期的運動と前記電気信号の周波数との間の関係を定めるものであって、前記所望の電気信号の波形に対応して定められていて、少なくとも一つの図形的に整形されたパターンを定義する図形関数を導き出す段階と、
（ｄ）動作に際し、前記エンコーダ手段が前記少なくとも一つの図形的に整形されたパターンに従って前記電気信号を生成するように、前記少なくとも一つの図形的に整形され、生成すべき信号に対応するパターンを繰り返し生成するように位相調整されたパターンで前記図形関数に従って前記エンコーダを構成する段階と、を有し、それにより、前記エンコーダの動作に際しては、前記エンコーダの前記出力端に前記特定の電気信号が生成されることを特徴とするエンコーダを構成する方法。
【請求項１４】
前記エンコーダは光学的エンコーダであり、前記段階（ａ）は、
(i)前記エンコーダの出力端に前記電気信号を生成する光検出器を設ける段階と
(ii)前記装置の周期的運動の機能として、前記光検出器に入射した放射エネルギーのパターンを修正する光学的手段を設ける段階と、を含み、前記段階（ｅ）は、前記光学的手段が、前記図形的に整形したパターンに従って前記光検出器で入射放射エネルギーの前記パターンを修正するように前記少なくとも一つの図形的に整形されたパターンで前記光学的手段を符号化することを含み、前記光検出器に前記図形関数により前記光学的手段を構成する段階を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【特許文献１】米国特許第３，１９３，７４４号
【特許文献２】米国特許第４，１６０，２００号
【特許文献３】米国特許第４，２２４，５１５号
【特許文献４】米国特許第４，４２９，２６７号
【特許文献５】米国特許第４，５９９，５４７号
【特許文献６】米国特許第５，１０３，２２５号
【特許文献７】米国特許第４，３５３，０１６号
【特許文献８】米国特許第４，８８２，５２４号
【特許文献９】米国特許第５，１９８，３９３号
【特許文献１０】米国特許第５、１７７、３９３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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 encoding）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。
【０００９】
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（ＯＥ）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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
好ましい実施形態の説明
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。
【００１８】
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２８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３６４ｃ）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。
【００１９】
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２４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。
【００２０】
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。
【００２１】
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５２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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、１２０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。
【００２４】
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２０ＲＰＳ（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２０ＲＰＳ×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。）
【００２５】
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。
【数１】
2008118853.tif 000003
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ｍi＝マスクの幅、入力パラメータｎ＝１、２、３、...ｐｖ＝ベクトルのスケール・ファクタ、入力パラメータ式(Ｗn+1−Ｗn)*ｖ／８＋ＶとＶn-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＞ｍiならば、ｍ＝ｍi
ｐ／２＜ｍiならば、ｍ＝Ｐ／２
ここで、ｐ＝波形入力ファイルの点の数ｍi＝マスクの幅、入力パラメータｍ＝マスクの幅、概算．
ｍi＞＝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)。
【００２６】
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。
【００２７】
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５Ａ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３０８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。
【００２８】
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３５３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３５４ａ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５０４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。
【００２９】
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１１Ｆ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１２Ａ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１０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。
【００３０】
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６０２ａ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１２Ｂ)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６１２ｃ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１３Ｂ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。
【００３１】
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６４８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６５０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１５Ａ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６５８は、図１５Ｂのマスク６４４のアパーチャ６４６および６４８に対応する。
【００３２】
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。
【００３３】
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７５６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１７Ａ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Ｙ１）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８０２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。
【００３４】
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８１８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８２２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８２４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。
【００３５】
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８２０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８３２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。
【００３６】
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９０２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９０２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９００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９００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９１２ａ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３．４２８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９５４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、Ｌｂ、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。
【００３７】
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２６Ａ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９５７ｂ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９５７ｃ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。
【００３８】
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９６２の様々な組み合わせを得ることができる。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】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】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】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】正弦波波形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４Ｂ】正弦波波形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】台形波形とそれに対応する波形関数を有する本発明の光学的エンコーダ・ディスクを示す。
【図５Ｂ】図５Ａの循環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５Ｃ】図５Ａの循環図形パターンに対応するマスク・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６】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】正弦波波形を示す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７Ｂ】正弦波波形に対応する波形関数を示す。
【図７Ｃ】図７Ａ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）を示す。
【図８Ａ】均一と不均一な図形パターンと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８Ｂ】図８Ａに示した不均一パターンに対応する図形関数である。
【図８Ｃ】図８Ａに示した不均一図形パターンに対応するマスク・アパーチャの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。
【図９】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】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１１Ａ】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１１Ｂ】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１１Ｃ】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１１Ｄ】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１１Ｅ】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１１Ｆ】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１２Ａ】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つの図形パターンを有する光学的エンコーダ・ディスクを示す。
【図１２Ｂ】図１２Ａのエンコーダ・ディスクに使用されるエンコーダ・マスクを示す。
【図１２Ｃ】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を示す。
【図１３Ａ】角度がそれぞれ０、４０および８０°ずらされた３つの図形パターンを有する光学的エンコーダ・ディスクを示す。
【図１３Ｂ】図１３Ａのエンコーダ・ディスクに使用されるエンコーダ・マスクである。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・マスクを示す。
【図１３Ｃ】角度がそれぞれ０、９０および１８０電気角度だけ位相がずらされた３つの波形関数を示す。
【図１４Ａ】６つのアパーチャを含む図形パターンを示す。
【図１４Ｂ】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を示す。
【図１４Ｃ】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に対応する波形関数を示す。
【図１４Ｄ】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）を示す。
【図１５Ａ】３つのアパーチャを含む図形パターンを示す。
【図１５Ｂ】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を示す。
【図１５Ｃ】図１５Ａ、１５Ｂに対応する波形関数を示す。
【図１５Ｄ】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）を示す。
【図１６Ａ】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１６Ｂ】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１６Ｃ】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
【図１６Ｄ】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１６Ｅ】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１６Ｆ】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】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。
【図１７Ｂ】反復不均一波形を生成する補正図形パターンと対応する補正済みと未補正の波形関数。
【図１７Ｃ】未補正の図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。
【図１７Ｄ】補正済み図形パターンの等価線形表現（Ｘ−Ｙ）を示す。
【図１８】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】図１８のエンコーダの断面図である。
【図２０】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平面図。
【図２１】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断面図。
【図２２】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正面図。
【図２３Ａ】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。
【図２３Ｂ】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上面図。
【図２４】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。
【図２５Ａ】非整数波形関数に対応する図形パターンのエンコーダ・ディスクの上平図を示す。
【図２５Ｂ】図２５Ａ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を示す。
【図２６Ａ】本発明のもう１つのエンコーダ・ディスクの上面図。
【図２６Ｂ】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を示す。
【図２７Ａ】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。
【図２７Ｂ】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。
【図２８】本発明の方法の好ましい実施例の概略を示す流れ図。
【符号の説明】
【００４２】
モータ                          １０
軸                            １８
中心軸                          ２０
エンコーダ                      ２２
エミッタ                        ２４
検出器（フォトトランジスタ）      ２６
エンコーダ・ディスク              ３０
図形パターン                           ３２
図形サイクル                           ３４
マスク                          ３６
アパーチャ                      ３８
増幅器                          ４４
エンコーダ                      １１０
エンコーダ・ディスク              １１８
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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