(57)【要約】【課題】　光学式エンコーダの、内部の光路中に存する欠陥や汚れ等に対する耐性を向上させる。　　【解決手段】　エンコーダ・ディスクを透過した光は、ＩＣダイ２０上に不揃いに分散配置された不連続な複数の検出器領域２２Ａ〜２２Ｆで受光される。これらの検出器領域２２Ａ〜２２Ｆから出力される信号が加算処理される。エンコーダ・ディスク上の欠陥や、エンコーダ内部の光路中に存する汚れ等による点欠陥２６により、検出器領域２２Ｂおよび２２Ｃへの入射光量が減じられても、他の検出器領域２２Ａ、２２Ｄ、および２２Ｆからの信号に基づき、光学式エンコーダは正常に作動することができる。　　【選択図】　　図３
2004117351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　ライン状のパターンが形成されたコード・ホイールまたはコード・ストリップと、
前記コード・ホイールまたは前記コード・ストリップを透過した光、または前記コード・ホイールまたは前記コード・ストリップで反射された光に反応する光検出器のアレイが形成されたエンコーダ集積回路基板とを備え、
　前記光検出器のアレイが、前記基板上に不揃いに分散された不連続な複数の検出器領域内に配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
　前記エンコーダ集積回路基板はさらに、前記光検出器のアレイに接続された信号処理回路を備え、前記信号処理回路が、前記分散された検出器領域の間の領域内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
　前記コード・ホイールまたは前記コード・ストリップ上に光を照射するための光源をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光学式エンコーダ。
【請求項４】
　前記検出器領域は、前記エンコーダ・ホイールまたは前記エンコーダ・ストリップの移動軸と交差する方向である横方向の幅寸法をそれぞれ有し、前記検出器領域は、前記それぞれの幅寸法のどれよりも大きい前記横方向の長さを有する検出器領域配置範囲を画定すべく、前記横方向に沿って分散配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
【請求項５】
　前記光検出器アレイが、フォトダイオードのアレイを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
【請求項６】
　前記光検出器アレイが、フォトトランジスタのアレイを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
【請求項７】
　請求項１から６のいずれか１つによる光学式エンコーダを備えることを特徴とする動作制御システム。
【請求項８】
　細長い暗色ストリップ状のパターンが形成された透明または半透明のコード・ホイールまたはコード・ストリップと、
　前記コード・ホイールまたは前記コード・ストリップ上に光を照射するための光源と、
　前記コード・ホイールまたは前記コード・ストリップを透過した光、または前記コード・ホイールまたは前記コード・ストリップから反射された光に反応する光検出器アレイとを有し、
　前記コード・ホイールまたは前記コード・ストリップは、前記光検出器アレイに対して回転または直線の移動軸に沿って移動可能であり、
　前記光源と前記光検出器アレイとの間の光路中に存する欠陥による閉塞に対するエンコーダの感受性の影響を減少させるために、前記アレイを構成する前記光検出器が、前記回転または直線の移動軸から離れる方向にグループ化して配置されることを特徴とする光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、光学式エンコーダに関し、特に光学式エンコーダ内部の光路内に欠陥が存在したり、汚れが付着したりした場合であっても、その影響を最小限にすることが可能な光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
　制御用途において、可動要素の位置または速度を監視するために、一般に光学式エンコーダが使用される。そのようなエンコーダは、一般に、既知の間隔と幅の不透明ストリップが形成されたコード・ホイールまたはコード・ストリップを採用している。可動要素と共に回転または移動するコード・ホイールまたはストリップ上に光源から光ビームが照射される。光センサは、ストリップによって遮られストリップ・パターンに対応する交互の明暗パターンを作る反射または透過光ビームに反応する。センサの出力は処理されて、ある一定期間に通過したストリップの数が決定され、それにより可動要素の位置と速度が追跡される。
【０００３】
　インクジェット・プリンタなどのプリンタにおいて、光学式エンコーダの用途の例は、印字ヘッド・キャリッジと印刷媒体操作要素の位置と速度を監視することである。
【０００４】
　コード・ホイールまたはストリップ上に存在するスポット状の欠陥あるいは光センサの光電領域上に存在するスポット状の欠陥によって、光学式エンコーダの動作に問題が生じる。そのようなスポット状の欠陥（以下、これを「点欠陥」と称する）は、製造中に起こる結像欠陥によって生じることもあり、製造後にシステムを使用することによって生じることもある。例えば、インクジェット印刷システムに使用される光学式エンコーダには、使用され経年変化したときに印刷システム内部に蓄積するエーロゾル・インクのスポットにより点欠陥が生じることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　光学式エンコーダにおいては、これらの点欠陥等を誤検出することのないよう、点欠陥等に対する耐性を向上させることが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
　光学式エンコーダの頑強性（動作の安定度）を高める技術を説明する。光学式エンコーダは、コード・ホイールまたはコード・ストリップ上に形成されたライン・パターンから反射された光またライン・パターンを透過した光に反応する光電要素（光に反応する要素）のアレイを有する。アレイを構成する光電要素は、分散されて不連続な検出領域を有するように配置される。
【０００７】
　本発明の特徴および利点は、添付図面に示したような、本発明の例示的な実施形態の以下の詳しい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】
【０００８】
　図１は、例示的な光学式エンコーダ５０の簡略化したブロック図である。エンコーダは、光源５２、例えばＬＥＤを含み、その出力光が、レンズ５４を介して、不透明ストリップ状のパターン６２が形成されたコード・ホイールまたはコード・ストリップ６０上に結像される。コード・ホイールまたはコード・ストリップ６０の像は、レンズ５６を介して、光検出器、例えばフォトダイオードのアレイ５８に導かれる。信号処理回路７０は、光検出器５８の出力に応じてエンコーダ出力を生成する。一般に、点線の枠で図式的に表された光検出器集積回路（ＩＣ）８０上に、光検出器アレイ５８と信号調整／処理回路７０が一体化されている。ＩＣ８０は、回路７０とアレイ５８が形成された基板またはダイを含む。図１は、反射光学式エンコーダを示しているが、本発明の実施形態は、反射光学式エンコーダでも透過光学式エンコーダでも製造することができる。
【０００９】
　図２Ａは、光学式エンコーダのエンコーダＩＣダイすなわち基板１０の代表的なレイアウトを図によって示す。光検出器、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、その他の光センサのアレイが、ダイ上の検出器領域１２を占有する。一般に、検出領域１２は、光学式エンコーダを含むエンコーダ・コード・ストリップまたはコード・ホイールの移動軸（矢印１６で示した）と合わせられた軸方向の広がりを有する。残りのダイ領域１４は、モジュールを構成する信号調整回路によって占有されている。このようなダイ・レイアウトは、点欠陥によって検出器領域１２が実質的に閉塞され易い。
【００１０】
　図２Ｂは、製造時の誤りまたは汚れすなわちほこりやインク滴などによって生じ、エンコーダの光路内のどこかに存在する可能性がある点欠陥１８を示す。図２Ｂで明らかなように、点欠陥は、検出器領域１４の重要な部分を塞ぎ、したがって光検出器アレイからの信号レベル出力を低下させる。これにより、エンコーダ・エラーが生じることがある。
【００１１】
　図３は、本発明の１つの態様によるエンコーダ・ダイ・レイアウトの実施形態の図である。図２Ａのような単一の連続した領域に形成された光検出器アレイを有するのではなく、アレイを構成するダイオードが、複数の不連続な光電検出器領域２２Ａ〜２２Ｆに分散されている。欠陥１８（図２Ｂ）と類似のサイズの点欠陥２６が、図２Ａに示したレイアウトの閉塞領域よりも小さい検出器領域を塞ぐことが分かる。エンコーダ・モジュールの信号調整回路は、検出器領域２２Ａ〜２２Ｆの外側の領域２４に配置することができる。
【００１２】
　本発明の態様による光検出器アレイ・レイアウトを使用するエンコーダは、多くの様々な用途に使用することができる。図４に示した動作制御システム１００は、１つの応用例である。この例のシステム１００は、インクジェット・プリンタ内の印刷媒体送りローラ１０２を制御する。直流モータ１０４は、歯車列１０６を介してローラ１０２を駆動する。モータ・ドライバ１１０が、モータ１０４に作動コマンドを発する。エンコーダ・ディスク１１０Ａを介して、エンコーダ１１０のエンコーダ・モジュール１１０Ｂにローラ１０２の真の位置のフィードバックが送られる。エンコーダ・ディスクまたはホイールの上には、従来のように、細長い不透明ストリップ１１０Ａ１のパターンが形成される。エンコーダ・モジュール１１０Ｂは、離間されたサブグループで光検出器のアレイが形成されたモジュール・ダイ（図４に示していない）を含む。
【００１３】
　直交エンコーダ状態は、一般に、他の組の検出器ペアに対して９０度の光学的角度で（光の位相が９０度ずれるように）配置された追加の検出器ペア（通常は、数が等しい）によって提供される。すなわち、エンコーダ・ホイール・ラインの間隔が１００単位となっている場合、検出器ペアの組は、互いに２５単位分オフセットされる。今日一般的に使用されているエンコーダは、直交する状態ごとに６〜１３ペアの光検出器を有する。
【００１４】
　動作制御システムのこの例示的な実施形態において、モジュール１１０からの光検出器アレイ信号は、増幅器１１２によって増幅されて調整され、Ａ／Ｄ（アナログ・ディジタル）変換器１１４と、ディジタル・エンコーダ・ジェネレータ１１６に出力される。このディジタル・エンコーダ・ジェネレータ１１６は、直交（位相が９０度ずれた）状態（の信号）を生成し、ディジタル出力を形成する。以下、複数の信号間で位相が９０度ずれている状態を「直交する」と称する。ディジタル・エンコーダ・ジェネレータ１１６は、２つのアナログ信号（すなわち、直交光検出器状態）をなんらかの形で比較する１対のコンパレータを含む。これにより、直交する２チャネル・ディジタル信号が生成される。ディジタル・エンコーダ・ジェネレータ１１６とＡ／Ｄ変換器１１４のディジタル出力は、組み合わされ、シリアルＩ／Ｏバスを介して、位置ワード・レジスタ１２２に送られ、位置ワード・レジスタ１２２は、Ａ／Ｄ変換器１１４からのディジタル化されたアナログ位置データをディジタル・エンコーダ・ジェネレータ１１６からの対応するディジタル・カウントと継ぎ合わせ、すなわち関連付けて、位置データ・ワードを形成する。このデータは、サーボ制御部１２４にフィードバックされる。
【００１５】
　サーボ制御部１２４は、システム・コントローラ、例えばプリンタ・コントローラから命令された位置データを受け取り、モータ制御コマンドを生成する。モータ制御部１２０は、サーボ制御部１２４から受け取った上記コマンドに基づいて、モータ・ドライバ１１０に送られるパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号を生成する。粗い位置決めは、エンコーダ１１０から増幅器１１２、ディジタル・エンコーダ・ジェネレータ１１６までを含むディジタル位置決め経路を介するサーボ制御部１２４によって達成される。サーボ制御部１２４は、ディジタル位置決め経路からの、ライン検出に伴う信号の遷移数をカウントし、直交信号の位相をカウントアップするかカウントダウンするかを制御するために使用するカウンタを含む。例えば、モータが停止し、続いて逆回転しようとしているような場合、カウンタは、動きが止まるまでカウントアップし続け、逆回転し始めると、２つの直交信号の位相の関係が逆になり、このときの入力カウントによって、カウンタが、カウントダウンし、すなわち加算ではなく減算になる。最終停止位置のより高い精度を得るために、サーボ制御部１２４はＡ／Ｄ変換器１１４によって測定された（とらえらえた）アナログ信号を使って直交状態にあるディジタル信号を補間する。したがって、この例示的な実施形態において、最終停止位置の精度は、エンコーダの線間隔によって定義される解像度よりも高い。
【００１６】
　図５Ａ〜図５Ｂに、エンコーダをさらに詳細に示す。図５Ａは、エンコーダ・ホイール１１０Ａ（図４）上に形成された不透明なラインすなわちストリップ１１０Ａ−１のパターンを示す簡略化した図である。この例示的な実施形態の場合、ストリップは、ある所定の幅とピッチ間隔の放射状に延在するストリップであるが、図５Ａでは簡略化されているため、ストリップは、線形コード・ストリップの実施形態であるかのように、平行なストリップとして示されている。ホイール（エンコーダ・ディスク）１１０Ａは、エンコーダ・モジュールによるストリップ・パターンを、矢印１１０Ａ−２、すなわちホイールの接線と平行な移動軸によって示した方向に通過させるように回転する。図５Ｂは、エンコーダ・モジュール１１０Ｂを含むＩＣダイ１１０Ｂ−１のレイアウトの概略図である。この図に示したように、光電検出器領域１１０Ｂ３Ａ〜１１０Ｂ３Ｄが、ダイ表面に分散配置され、信号調整／処理回路１１０Ｂ５−１〜１１０Ｂ５−５が、ダイ上で分散配置された光電領域の間に配置されている。
【００１７】
　検出器領域１１０Ｂ３Ａ〜１１０Ｂ３Ｄ内に形成される光検出器アレイは、ホイール上のライン１１０Ａ−１と同じ間隔（ライン間隔）で形成される。各検出器領域１１０Ｂ３Ａ〜１１０Ｂ３Ｄはそれぞれ、２つのサブエリア１１０Ｂ３Ａ−１および１１０Ｂ３Ａ−２、１１０Ｂ３Ｂ−１および１１０Ｂ３Ｂ−２、１１０Ｂ３Ｃ−１および１１０Ｂ３Ｃ−２、および１１０Ｂ３Ｄ−１および１１０Ｂ３Ｄ−２に分割される。サブエリア１１０Ｂ３Ａ−１内の光検出器は、サブエリア１１０Ｂ３Ｂ−１内の光検出器に対してライン間隔と等しい間隔だけ離される。同様に、サブエリア１１０Ｂ３Ａ−２内の光検出器は、サブエリア１１０Ｂ３Ｂ−２内の光検出器に対してライン間隔と等しい間隔だけ離される。サブエリア１１０Ｂ３Ｃ−１内の光検出器は、サブエリア１１０Ｂ３Ｄ−１内の光検出器に対してライン間隔と等しい間隔だけ離される。サブエリア１１０Ｂ３Ｃ−２内の光検出器は、サブエリア１１０Ｂ３Ｄ−２内の光検出器に対してライン間隔と等しい間隔だけ離される。信号処理回路は、サブエリア１１０Ｂ３Ａ−１、１１０Ｂ３Ｂ−１、１１０Ｂ３Ｃ−１および１１０Ｂ３Ｄ−１内のすべての光検出器からの信号を合算する。信号処理回路は同様に、サブエリア１１０Ｂ３Ａ−２、１１０Ｂ３Ｂ−２、１１０Ｂ３Ｃ−２および１１０Ｂ３Ｄ−２内のすべての光検出器からの信号を合算する。信号が合算される対象の光検出器はすべて、同時に照明または閉塞されるように離間して配置される（あるいは、片方が照明されたときにもう片方が閉塞されるようにペアの光検出器を離間させて配置することも一般的であり、この場合には信号の調整処理に際して、２つの信号の差が測定される。この方法は、照明全体のばらつきによる出力信号の影響を少なくするのに役立つ。本発明は、このような減算法、すなわちサブトラクション・メソッドを使用する、しないに関係なく適用可能である。）。
【００１８】
　ディスクまたはエンコーダ・モジュール上の点光学欠陥に対する高いエンコーダ感度の耐性は、ダイ上の光検出器領域のレイアウトによって実現される。ライン１１０Ａ−３（図５Ｂ）は、動作中にモジュール・ダイ１１０Ｂ−１を通過するライン１１０Ａ−１の長手方向の寸法の一部分を示す。分散配置された複数の検出器領域によって、ライン１１０Ａ−１の上記長手方向に沿う長さＤ１を有する検出器領域配置範囲が画定され、この長さＤ１は、従来の光検出器アレイの配置によって画定される長さ（一般には、この長さは図５Ｂにおける一つの検出器領域の寸法Ｈに等しい）よりも実質的に長くされる。これにより、エンコーダ・ホイール上またはエンコーダ・モジュール上の光学欠陥に対するエンコーダ動作の耐性が大幅に改善される。これは、光学欠陥に対する高い耐性は、アナログ補間を使用して高い位置解像度を実現する用途において特に有用であるが、ディジタル・エンコーダ位置データだけを使用する用途でも光学欠陥に対する余裕を大きくすることができる。
【００１９】
　図５Ｂのレイアウトは、分散した光検出器アレイのレイアウトの１つの実施形態の説明に過ぎない。他のレイアウトは、もっと多い数の検出器領域を使用することができる。検出器領域を、例えばダイの角部に配置してもよく、概略「Ｘ」字パターンで分散させてもよい。光検出器を移動軸１１０Ａ−２に沿う方向に分散させてもよい。しかしながら、そのような構成にすると、運動軸に沿う方向に長い寸法を有する欠陥に対して敏感になる。検出器を分散して配置することによって、ランダムな位置に存在するランダムな形状の欠陥に対する耐性は最も大きくなる。
【００２０】
　以上説明した実施形態が、本発明の原理を表すことができる特定の実施形態の単なる例であることを理解されたい。当業者は、これらの原理に従って、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく他の構成を容易に考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】例示的な光学式エンコーダの簡略化したブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、光学式エンコーダのエンコーダ・モジュールのダイまたは基板の代表的なレイアウトを説明する図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、エンコーダ・コード・ホイール、コード・ストリップまたはエンコーダ・モジュール・ダイ上の点欠陥を示す図である。
【図３】図１のエンコーダに使用される、本発明の態様によるエンコーダ・ダイ・レイアウトの実施形態を示す図である。
【図４】本発明によるエンコーダ光検出器レイアウトを実施する動作制御システムの例示的な実施形態のブロック図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４のシステムを含むエンコーダ・ホイール上に形成された不透明なラインまたはストリップ状のパターンを示す簡略化した図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４のシステムのエンコーダ・モジュールを含むＩＣダイのレイアウトを示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
　１８、２６　　点欠陥
　２０　基板（ＩＣダイ）
　２２Ａ〜２２Ｄ、２２Ｆ　　検出器領域
　５０　光学式エンコーダ
　５２　光源
　５８　光検出器アレイ
　６０　コード・ホイールまたはコード・ストリップ
　６２　ライン・パターン（不透明ストリップ）
　７０　信号処理回路
　８０　エンコーダ集積回路基板（光検出器集積回路）
　１１０Ａ　エンコーダ・ホイール（エンコーダ・ディスク）
　１１０Ａ−２　移動軸
　１１０Ｂ-1　ＩＣダイ
　１１０Ｂ３Ａ、１１０Ｂ３Ｂ、１１０Ｂ３Ｃ、１１０Ｂ３Ｄ　検出器領域
【図１】
2004117351.tif 000003
【図２Ａ】
2004117351.tif 000004
【図２Ｂ】
2004117351.tif 000005
【図３】
2004117351.tif 000006
【図４】
2004117351.tif 000007
【図５Ａ】
2004117351.tif 000008
【図５Ｂ】
2004117351.tif 000009