(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源（12）と、
前記光源（12）に対して間隔をおいて配置され、少なくとも１つの検出器セット（14）を含み、前記少なくとも１つの検出器セット（14）のそれぞれが隣接する関係で配置された第１、第２、第３、及び第４の検出器要素（32、34、36、38）からなる、検出器アレイ（13）と、
前記光源（12）と前記検出器アレイ（13）との間に配置されたコード部材（20）であって、前記コード部材（20）と前記検出器アレイ（13）が、移動方向（24）に沿って互いに対して移動可能であり、前記コード部材（20）は、前記コード部材（20）が前記検出器アレイ（13）に対して移動する際、前記光源（12）により放出された光（56）が前記検出器アレイ（13）を横切って進む光スポット（58）を生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口（22）を画定する、コード部材（20）と、
前記第１の検出器要素（32）と前記第３の検出器要素（36）と関連して動作し、前記第１の検出器要素（32）により生成された出力信号（44）から前記第３の検出器要素（36）により生成された出力信号（48）を減算して、第１の擬似正弦波信号（52）を生成する第１の加算器（40）とを含む、光学エンコーダ（10）。
【請求項２】
前記光スポット（58）が、前記移動方向（24）に沿って１つの検出器セット（14）の幅より小さいが、１つの検出器要素（16）の幅より大きい寸法を有するように、前記光源（12）、前記検出器アレイ（13）、及び前記コード部材（20）が配置され、且つ前記コード部材（20）の前記開口（22）がそのようなサイズになっている、請求項１に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項３】
同時に前記検出器アレイ（13）を照明するための約１つの光スポット（58）を生じるように、前記光源（12）、前記検出器アレイ（13）、及び前記コード部材（20）が配置され、且つ前記コード部材（20）の前記開口（22）が前記約１つの光スポット（58）を生じるように離間されている、請求項２に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項４】
同時に前記検出器アレイ（13）を照明するための１つだけの光スポット（58）を生じるように、前記光源（12）、前記検出器アレイ（13）、及び前記コード部材（20）が配置され、且つ前記コード部材（20）の前記開口（22）が前記１つだけの光スポット（58）を生じるように離間されている、請求項２に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項５】
前記光スポット（58）が、前記移動方向（24）に沿って１つの検出器セット（14）の幅の約４０％〜約８０％の範囲の寸法を有するように、前記光源（12）、前記検出器アレイ（13）、及び前記コード部材（20）が配置され、且つ前記コード部材（20）の前記開口（22）がそのようなサイズになっている、請求項１に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項６】
前記光源（12）が平行化光源であり、
前記コード部材（20）により画定された開口（22）のそれぞれが、前記移動方向（24）に沿って１つの検出器セット（14）の幅より小さいが、１つの検出器要素（16）の幅より大きい寸法を有する、請求項１に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項７】
前記コード部材（20）により画定された開口（22）のそれぞれが、前記検出器アレイ（13）の幅にほぼ等しい距離だけ、隣接する開口（22）から離間されている、請求項６に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項８】
前記光源（12）が平行化光源であり、
前記コード部材（20）により画定された開口（22）のそれぞれが、前記移動方向（24）に沿って１つの検出器セット（14）の幅の約４０％〜約８０％の範囲の直径を有する、請求項１に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項９】
前記第２の検出器要素（34）と前記第４の検出器要素（38）と関連して動作し、前記第２の検出器要素（34）により生成された出力信号（46）から前記第４の検出器要素（38）により生成された出力信号（50）を減算して、第２の擬似正弦波信号（54）を生成する第２の加算器（42）をさらに含む、請求項１に記載の光学エンコーダ（10）。
【請求項１０】
光源（12）に対して間隔をおいて検出器アレイ（13）を配置し、前記検出器アレイ（13）が少なくとも１つの検出器セット（14）を含み、各検出器セット（14）が少なくとも４つの検出器要素（16）からなり、
前記光源（12）と前記検出器セット（13）との間にコード部材（20）を配置し、前記コード部材（20）と前記検出器アレイ（13）が移動方向（24）に沿って互いに対して移動可能であるようになっており、前記コード部材（20）は、前記コード部材（20）が前記検出器アレイ（13）に対して移動する際、前記光源（12）により放出された光（56）が前記検出器アレイ（13）を横切って進む光スポット（58）を生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口（22）を画定し、
前記検出器アレイ（13）の隣接していない検出器要素の少なくとも第１の対（32、36）からの出力信号（44、46、48、50）を組み合わせて、第１の擬似正弦波信号（52）を生成する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型光学エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
可動コンポーネントの動き（例えば、可動コンポーネントの移動の方向と速度）は、光学エンコーダによって特徴付けられ得ることが多い。絶対光学エンコーダ、又は既知の位置に最初に較正されている光学エンコーダの場合、光学エンコーダは可動コンポーネントの位置を特徴付けるためにも使用され得る。
【０００３】
光学エンコーダは種々の形態をとることができるが、大部分は、直線または回転として特徴付けられ得る。それら各々の名前が暗示するように、直線エンコーダは、直線運動（及び時として位置）の指示を提供するために使用され、それに対して、回転エンコーダは、回転運動（及び時として位置）の指示を提供するために使用される。
【０００４】
また、大部分の光学エンコーダは、透過型または反射型としても特徴付けられ得る。透過型光学エンコーダにおいて、光源と光検出器は、コード部材（例えば、コードストリップ又はコードホイール）の両側に配置される。コード部材が可動コンポーネントにより移動する際、コード部材の複数のウィンドウ（開口）により、光検出器が光の変化するパターンで照明され、次いでそのパターンは可動コンポーネントの動きと相関され得る。反射型光学エンコーダにおいて、光源と光検出器は、コード部材の同じ側に配置される。そして、コード部材が可動コンポーネントにより移動する際、コード部材上の複数の反射器により、光検出器が光の変化するパターンで照明される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の課題は、従来の光学エンコーダよりも分解能が高く、光学エンコーダの部品の位置合わせ不良にも耐性があり、別個のレチクルを利用する必要性なしに擬似正弦波出力信号を生成することが可能な光学エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、光学エンコーダは、光源、検出器アレイ、及びコード部材を含む。検出器アレイは、光源に対して間隔をおいて配置され、少なくとも１つの検出器セットを含む。少なくとも１つの検出器セットのそれぞれは、複数の検出器要素からなる。コード部材は、１）光源と検出器アレイとの間に配置され、２）移動方向に沿って検出器アレイに対して移動可能であり、及び３）コード部材が検出器アレイに対して移動する際に、光源によって放出された光が検出器アレイを横切って進む光スポットを生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口を画定する。
【０００７】
別の実施形態において、光学エンコーダは、光源、検出器アレイ、コード部材、及び第１と第２の加算器を含む。検出器アレイは、光源に対して間隔をおいて配置され、少なくとも１つの検出器セットを含む。第１の検出器セットは、隣接した関係で配置された第１、第２、第３、及び第４の検出器要素からなる。コード部材は、１）光源と検出器アレイとの間に配置され、２）移動方向に沿って検出器アレイに対して移動可能であり、及び３）コード部材が検出器アレイに対して移動する際に、光源によって放出された光が検出器アレイを横切って進む光スポットを生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口を画定する。第１の加算器は、第１の検出器要素および第３の検出器要素と関連して動作して、第１の検出器要素により生成された出力信号から第３の検出器要素により生成された出力信号を減算し、その結果、第１の出力を生成する。第２の加算器は、第２の検出器要素および第４の検出器要素と関連して動作して、第２の検出器要素により生成された出力信号から第４の検出器要素により生成された出力信号を減算し、その結果、第２の出力を生成する。
【０００８】
さらに別の実施形態において、方法は、１）光源に対して間隔をおいて検出器アレイを配置し、検出器アレイが少なくとも１つの検出器セットを含み、各検出器セットが少なくとも４つの検出器要素からなり、２）コード部材と検出器アレイが移動方向に沿って互いに対して移動可能であるように、光源と検出器セットとの間にコード部材を配置し、コード部材は、検出器アレイに対して移動する際に、光源によって放出された光が検出器アレイを横切って進む光スポットを生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口を画定し、及び３）検出器アレイの隣接していない検出器要素の少なくとも第１の対からの出力信号を組み合わせて、第１の擬似正弦波信号を生成することを含む。
【０００９】
他の実施形態も開示される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光学エンコーダが、別個のレチクルを利用する必要性なしに擬似正弦波出力信号を生成することが可能になる。また、本発明による光学エンコーダは、従来のエンコーダ設計よりも分解能を増大させることができる。さらに、本発明によれば、光学エンコーダにおいて、コード部材および検出器アレイの位置合わせ不良をいっそうよく許容することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の例示的および典型的な実施形態が、図面に示される。
【００１２】
例示的な光学エンコーダ１０が図１と図２に示され、それは、光源１２、及び光源１２から間隔をおいた関係で配置された検出器アレイ１３を含む。光源１２は、検出器アレイ１３を形成する検出器要素１６により検出可能である光５６を生成するのに適した任意の広範にわたる光源からなることができる。概して好適であるのは、必須ではないが、光源１２は、光５６の平行ビームまたは略平行ビーム６２を生成する。係る平行ビーム６２は、光源１２により生成されることができ、又は別個のコリメータレンズ（図示せず）を用いて形成され得る。
【００１３】
一例として、一実施形態において、光源１２は、発光ダイオード６４を含む。発光ダイオード６４には、光ビーム６２を形成するために、発光ダイオード６４により生成された光５６を実質的に平行化するのに適した一体型コリメータレンズ６６が設けられ得る。代案として、別個のコリメータレンズ（図示せず）が使用されてもよい。
【００１４】
光源１２は、検出器アレイ１３に対して間隔をおいた関係で光源１２を保持するのに適したフレーム又はハウジング（図示せず）に取り付けられ得る。しかしながら、光源１２の種々のマウンティング構成が本明細書で提供される教示に精通した後の当業者によって容易に提供され得るので、光源１２のマウンティング構成は、本明細書でさらに詳細に説明されない。
【００１５】
検出器アレイ１３は、光源１２に対して間隔をおいて配置され、少なくとも１つの検出器セット１４を含む。一例として、図１と図２は、単一の検出器セット１４を含む検出器アレイ１３を示す。しかしながら、本説明の後半でより詳細に説明されるように、追加の検出器セットが設けられてもよい。
【００１６】
検出器アレイ１３の検出器セット１４の数に関係なく、各検出器セット１４は、検出器アレイ１３の幅方向１８に沿って並んで隣接する関係で配置された複数の個々の検出器要素１６からなる。図１を参照されたい。一例として、検出器セット１４は、４つの個々の検出器要素１６、即ち、第１の検出器要素３２、第２の検出器要素３４、第３の検出器要素３６、及び第４の検出器要素３８からなる。しかしながら、代替の実施形態において、検出器セット１４は、５つ以上の個々の検出器要素１６からなることができる。全体として、検出器セット１４の検出器要素３２、３４、３６、及び３８は、検出器セット１４の幅２８を画定する。
【００１７】
個々の検出器要素１６（例えば、第１、第２、第３、及び第４の検出器要素３２、３４、３６、及び３８）は、光源１２により生成された光５６を検出するのに適した任意の広範にわたるデバイスからなることができる。しかしながら、一例として、及び一実施形態において、検出器セット１４を形成するいくつかの個々の検出器要素１６は、フォトダイオードからなる。
【００１８】
いくつかの個々の検出器要素１６は、検出器セット１４を形成するために、幅方向１８に沿った適切な位置にいくつかの検出器要素１６を保持するのに適したプリント回路基板６８のような、任意の広範にわたる構造体に取り付けられ得る。代案として、本明細書で提供される教示に精通した後の当業者に明らかになるように、他のマウンティング構成が可能である。
【００１９】
留意されるべきは、図１に示された実施形態において、検出器アレイ１３は単一の検出器セット１４からなり、検出器アレイ１３の幅２９は、検出器セット１４の幅２８と同じである。しかしながら、これは、検出器アレイ１３が２つ以上の検出器セット１４からなる場合にはそうでない。例えば、図７に示された光学エンコーダ１１０の実施形態に関連して説明されるように、検出器アレイ１１３が２つの検出器セット１１４からなる場合、検出器アレイ１１３の幅１２９は、検出器セット１１４の幅１２８の二倍になる。場合によっては、及び本説明の後半で説明されるように、検出器アレイ１３の幅２９は、コード部材２０に設けられる開口２２のサイズと間隔を決定するために使用され得る。
【００２０】
コード部材２０は、コード部材２０と検出器アレイ１３が移動方向２４に沿って互いに対して移動可能であるように、図１と図２で最もよく看取される態様で光源１２と検出器アレイ１３との間に配置される。一構成において、コード部材２０は、可動コンポーネント（図示せず）に取り付けられることができ、光源１２と検出器アレイ１３は、静止位置に固定され得る。別の構成において、コード部材２０が固定されることができ、光源１２と検出器アレイ１３が可動コンポーネントに取り付けられ得る。特定の構成に関係なく、光学エンコーダ１０は、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な移動を検出する。
【００２１】
コード部材２０は、その用途に応じて、任意の広範にわたる形態または構成になることができる。例えば、光学エンコーダ１０が直線エンコーダとして使用されるべきである場合、コード部材２０は、図１で最もよく看取されるように、概して細長いストリップ状の部材７４の形態または構成をとることができ、いくつかの開口２２が線に沿って配列されている。代案として、光学エンコーダ１０が回転エンコーダとして使用されるべきである場合、コード部材２０は、ディスク状部材または「ホイール」７０の形態または構成をとることができ、いくつかの開口２２がホイール７０の周辺部の周りに概して円形の態様で配列されている。図３を参照されたい。従って、用語「コード部材」は、本明細書で使用される場合、コード部材の任意の特定の形状または構成に限定されるものとみなされるべきではなく、代わりに直線コードストリップ、円形コード「ホイール」、又は特定の用途において必要とされる又は望まれ得るコード部材の任意の他の形態または構成を含むものと広く解釈されるべきである。
【００２２】
コード部材２０には、複数の開口２２が設けられる。開口２２は任意の広範にわたる形状からなることができる。本説明の後半でより詳細に説明されるように、円形または楕円の形状により、光学エンコーダ１０が１つ又は複数の擬似正弦波波形（例えば、それぞれ加算器４０と４２からの出力信号５２と５４）を生成することを可能にする。一般に、円形開口により、加算器４０と４２が真の正弦波波形に最も厳密に一致する出力５２と５４を提供することを最も有利に可能にする。しかしながら、移動方向２４に対して垂直である方向７８に楕円を形成する開口は、（依然として加算器４０と４２が擬似正弦波波形を生成することを可能にしながら）検知するために検出器アレイ１３に対してより多くの量の光を提供する際に有用となることができる。本説明の残りの部分については、開口２２が円形であると仮定される。
【００２３】
各開口２２が光源１２により生成された光ビーム６２と揃えられる場合、開口２２は、図２において最もよく看取されるように、光ビーム６２のサイズを低減または狭くするように機能して、細いビーム７２を生成する。細いビーム７２は、結果として検出器アレイ１３上にスポット５８を形成する。図４と図５を参照されたい。コード部材２０に設けられた開口２２のサイズと形状は、細いビーム７２のサイズと形状、ひいてはスポット５８のサイズと形状を画定する。光源１２により生成されたビーム６２が実質的に平行化されている場合、スポット５８のサイズは、開口２２のサイズにほぼ等しい。しかしながら、光源１２により生成されたビームが平行化されていない場合（例えば、ビームが発散する光線からなる場合）、開口２２のサイズは、スポット５８のサイズとは異なる（例えば、スポット５８のサイズより小さい）であろう。
【００２４】
適切な量の空間フィルタリングを提供するために、移動方向２４におけるスポット５８の寸法２６は好適には、検出器セット１４の幅２８よりも小さいが、単一の検出器要素１６の幅７６よりも大きい。もっと好適には、移動方向２４におけるスポット５８の寸法は、検出器セット１４の幅２８の約４０％〜約８０％である。
【００２５】
スポット５８のサイズに加えて、連続するスポット間の間隔は好適には、単一のスポット５８だけが任意の所与の時間に検出器アレイ１３を照明するように調整される。しかしながら、少なくとも１つのスポット５８は常に、検出器アレイ１３を照明するべきである。動きの検出の「隙間」を取り除くために、コード部材２０が移動しているが、検出器アレイを横切って移動しているスポット５８が存在しない場合には、時として２つ以上のスポット５８が検出器アレイ１３を同時に照明することを可能にすることが望ましい場合もある。しかしながら、これらの場合、複数の光スポットを「約１つ」の光スポット５８に保つことが好ましい。本明細書で定義されるように、「約１つ」の光スポットは、３／２以下の光スポット５８であるように定義される。
【００２６】
検出器アレイ１３を照明する光スポット５８のサイズと間隔を調整するために、及び所与の光源１２及び検出器アレイ１３に対して、光源１２、検出器アレイ１３及びコード部材２０の位置（即ち、間隔）が調整され得る。さらに、コード部材２０の開口２２のサイズ２６と間隔３０も調整され得る。光源１２が平行化光源（即ち、平行ビームを生成する光源）である場合、光源１２、検出器アレイ１３及びコード部材２０の位置（即ち、間隔）は、重要とは言えず、光スポット５８のサイズと間隔は、コード部材２０の開口２２のサイズ２６と間隔３０にほぼ等しくなる。
【００２７】
ここで、主として図４と図５を参照すると、光学エンコーダ１０は、個々の検出器要素１６が「互いにかみ合う」ように、検出器アレイ１３を形成するいくつかの個々の検出器要素１６に接続された第１と第２の加算器４０と４２をさらに含むことができる。即ち、検出器要素１６の１つおきの検出器要素が、加算器４０と４２のそれぞれに接続され得る。このようにして、コード部材２０と検出器アレイ１３は、「空間フィルタ」を形成する。また、コード部材２０の開口２２が円形または楕円形である場合、加算器４０、４２の出力５２、５４は、図５で最もよく看取されるように、擬似正弦波波形からなる。
【００２８】
具体的には、第１の加算器４０は、第１の検出器要素３２と第３の検出器要素３６とに関連して動作するように接続され、それに対して、第２の加算器４２は、第２の検出器要素３４と第４の検出器要素３８とに関連して動作するように接続される。第１の加算器４０は、第１の検出器要素３２の出力信号４４から第３の検出器要素３６の出力信号４８を減算することにより、第１と第３の検出器要素３２、３６の出力信号を組み合わせる。第１の加算器４０の結果としての出力信号５２は、擬似正弦波波形からなる。図５を参照されたい。
【００２９】
第２の加算器４２は、第２の検出器要素３４の出力信号４６から第４の検出器要素３８の出力信号５０を減算することにより、第２と第４の検出器要素３４、３８の出力信号を組み合わせる。やはり図５において最もよく看取されるように、第２の加算器４２の結果としての出力信号５４は、擬似正弦波波形からなる。
【００３０】
処理システム６０は、第１と第２の加算器４０、４２により生成された出力信号５２、５４に応答するように、第１と第２の加算器４０、４２に接続され得る。次いで、処理システム６０は、第１と第２の加算器４０、４２からの出力信号５２、５４を分析するように動作し、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な移動に関する情報を導出することができる。例えば、処理システム６０は、第１の加算器４０からの出力信号５２又は第２の加算器４２からの出力信号５４の擬似正弦波波形の周波数を測定することにより、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の動きの速度（即ち、スピード）を求めることができる。また、処理システム６０を用いて、例えば、出力信号５２と５４の擬似正弦波波形間の位相差または位相シフトを測定することにより、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の動きの方向を求めることもできる。当然のことながら、処理システム６０を用いて、例えば、出力信号５２、５４を積分または微分することにより、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な動きの他の態様を求めることができる。
【００３１】
一例として、一実施形態において、処理システム６０は、所望の計算を行うために、及び所望の出力データを生成するために、擬似正弦波波形の周波数およびそれらの位相差を検出するようにプログラムされた汎用のプログラマブルコンピュータ（例えば、ＰＣ）からなることができる。代案として、処理システム６０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）からなることができる。
【００３２】
光学エンコーダ１０は、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な移動を検出するために以下のように動作することができる。光源１２と検出器アレイ１３が間隔をおいた関係で配置されており、コード部材２０がそれらの間に配置されていると仮定した場合、光学エンコーダ１０を用いて、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な移動を測定することができる。例えば、コード部材２０が可動コンポーネント（図示せず）に取り付けられ、検出器アレイ１３が静止状態のままである構成において、光源１２からの光５６は、コード部材２０に設けられた開口２２を通り抜けて、スポット５８において検出器アレイ１３を照明する。一実施形態において、スポット５８のサイズは、コード部材２０に設けられた開口２２のサイズと実質的に同じである。コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な移動により、スポット５８は、検出器アレイ１３の個々の検出器要素３２、３４、３６、３８を横切って移動または走査する。図５を参照されたい。
【００３３】
スポット５８が各検出器要素３２、３４、３６、３８を照射する際、照射された検出器要素（単数または複数）は、それに入射する光の量に関連した出力信号を生成する。例えば、図５を参照すると、検出器アレイ１３を構成する各連続した検出器要素３２、３４、３６、３８を横切るスポット５８の移動は、各検出器要素３２、３４、３６、３８が擬似正弦波パルスを有する出力信号を生成する結果となる。具体的には、第１、第２、第３、及び第４の検出器要素３２、３４、３６、３８は、擬似正弦波パルスからなる対応する出力信号４４、４６、４８、５０を生成し、各パルスは、検出器アレイ１３を横切るスポット５８の移動に対応する態様でシフトされる（即ち、時間的に遅延される）。
【００３４】
いくつかの検出器要素３２、３４、３６、３８により出力された擬似正弦波パルスは、第１と第２の加算器４０と４２により組み合わされて、出力信号５２と５４に対応する擬似正弦波波形を生成する。具体的には、第１の加算器４０は、第１の出力信号４４から第３の出力信号４８を減算して、擬似正弦波出力信号５２（即ち、「Ｉ」チャネル）を生成し、それに対して、第２の加算器４２は、第２の出力信号４６から第４の出力信号５０を減算して、擬似正弦波出力信号５４（即ち、「Ｑ」チャネル）を生成する。
【００３５】
次いで、処理システム６０を用いて、第１と第２の加算器４０と４２からの出力信号５２と５４を分析して、コード部材２０と検出器アレイ１３の相対的な移動に関連した情報を導出することができる。例えば、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な速度またはスピードは、第１と第２の加算器４０と４２の一方からの出力信号（例えば、５２又は５４）の周波数に基づいて、処理システム６０により求められ得る。即ち、第１の加算器４０の出力信号５２に対応する擬似正弦波波形の周波数は、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な速度に関連している。同様に、第２の加算器４２の出力信号５４に対応する擬似正弦波波形の周波数も、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な速度に関連している。従って、速度またはスピードを求めることは、第１の加算器４０の出力信号５２、第２の加算器４２の出力信号５４、又はそれらの種々の組合せの周波数を測定することによって行われ得る。
【００３６】
検出器アレイ１３に対するコード部材２０の移動の方向は、第１と第２の加算器４０と４２の擬似正弦波波形５２と５４との間の位相関係または位相差から求められ得る。具体的には、本明細書で図示され、及び説明された実施形態において、「Ｉ」チャネル及び「Ｑ」チャネルは、９０°位相がずれている。従って、「Ｉ」チャネルが「Ｑ」チャネルに９０°だけ進んでいる場合、検出器アレイ１３とコード部材２０との間の相対的な動きは、第１の方向にある。「Ｉ」チャネルが「Ｑ」チャネルに９０°だけ遅れている場合、検出器アレイ１３とコード部材２０との間の相対的な動きは、第１の方向とは反対の方向にある。さらに、コード部材２０と検出器アレイ１３との間の相対的な移動に関する他の情報は、加算器４０と４２により生成された出力信号５２と５４を積分または微分することにより求められ得る。
【００３７】
上述したように、検出器アレイ１３は、２つ以上の個々の検出器セット１４からなることができる。追加の検出器セット１４を設けることにより、コード部材２０に設けられた隣接する開口２２間の間隔を増加させることができ、これは、或る環境において好都合になることができる。ここで、図７と図８を参照すると、光学エンコーダの第２の実施形態１１０は、間隔をおいた関係で配置された光源１１２と検出器アレイ１１３を含む。この実施形態における検出器アレイ１１３は、２つの検出器セット１１４からなり、検出器セットのそれぞれは、４つの個々の検出器要素１１６からなる。光源１１２と検出器アレイ１１３との間に配置されたコード部材１２０には、複数の開口２２が設けられる。
【００３８】
光学エンコーダ１０と同様に、光源１１２がコード部材１２０を照明する際、光スポット（単数または複数）１５８は検出器アレイ１１３を照射する。適切な量の空間フィルタリングを提供するために、移動方向１２４におけるスポット１５８の寸法は好適には、１つの検出器セット１１４の幅１２８より小さいが、単一の検出器要素１１６の幅より大きい。もっと好適には、移動方向１２４におけるスポット１５８の寸法は、１つの検出器セット１１４の幅１２８の約４０％〜約８０％である。
【００３９】
スポット１５８のサイズに加えて、連続するスポット間の間隔は好適には、単一のスポット１５８だけが任意の所与の時間に検出器アレイ１１３を照明するように調整される。しかしながら、少なくとも１つのスポット１５８は常に、検出器アレイ１１３を照明するべきである。動きの検出の「隙間」を取り除くために、コード部材１２０が移動しているが、検出器アレイを横切って移動しているスポット１５８が存在しない場合には、時として２つ以上のスポット１５８が検出器アレイ１１３を同時に照明することを可能にすることが望ましい場合もある。しかしながら、これらの場合、複数の光スポットを「約１つ」の光スポット１５８に保つことが好ましい。本明細書で定義されるように、「約１つ」の光スポットは、３／２以下の光スポット１５８であるように定義される。
【００４０】
検出器アレイ１１３を照明する光スポット１５８のサイズと間隔を調整するために、及び所与の光源１１２及び検出器アレイ１１３に対して、光源１１２、検出器アレイ１１３及びコード部材１２０の位置（即ち、間隔）が調整され得る。さらに、コード部材１２０の開口１２２のサイズ１２６と間隔１３０も調整され得る。光源１１２が平行化光源である場合、光源１１２、検出器アレイ１１３及びコード部材１２０の位置（即ち、間隔）は、重要とは言えず、光スポット１５８のサイズと間隔は、コード部材１２０の開口１２２のサイズ１２６と間隔１３０にほぼ等しくなる。
【００４１】
ここで、図８を参照すると、検出器アレイ１１３は、全部で８つの個々の検出器要素１１６からなり、即ち、第１、第２、第３、及び第４の検出器要素１３２、１３４、１３６、及び１３８はそれぞれ、全体として第１の検出器セット１１４を形成し、第５、第６、第７、及び第８の検出器要素１３２’、１３４’、１３６’、及び１３８’はそれぞれ、全体として第２の検出器セット１１４を形成する。また、いくつかの検出器要素１１６は、「互いにかみ合う」。具体的には、第１と第５の検出器要素１３２と１３２’が互いに接続されて、第１の加算器１４０に接続される。第３と第７の検出器要素１３６と１３６’が互いに接続されて、第１の加算器１４０に接続される。第１の加算器１４０は、第１の実施形態１０の加算器４０に関して既に説明された態様で、検出器からの信号を組み合わせる。即ち、第１の加算器１４０は、第１と第５の検出器要素１３２と１３２’からの組み合わされた信号から第３と第７の検出器要素１３６と１３６’からの組み合わされた信号を減算して、擬似正弦波出力信号１５２を生成する。
【００４２】
第２と第６の検出器要素１３４と１３４’が互いに接続されて、第２の加算器１４２に接続される。図８に示された態様で、第４と第８の検出器要素１３８と１３８’が互いに接続されて、第２の加算器１４２に接続される。第２の加算器１４２は、第１の実施形態１０の加算器４２に関して既に説明された態様で、いくつかの検出器からの信号を組み合わせる。即ち、第２の加算器１４２は、第２と第６の検出器要素１３４と１３４’からの組み合わされた信号から第４と第８の検出器要素１３８と１３８’からの組み合わされた信号を減算して、擬似正弦波出力信号１５４を生成する。
【００４３】
処理システム１６０は、第１と第２の加算器１４０と１４２に関連して動作するように接続され、既に説明された態様で第１と第２の擬似正弦波信号１５２と１５４を処理して、コード部材１２０と検出器アレイ１１３の相対的な移動に関する情報を生成する。
【００４４】
大抵の用途において、光学エンコーダ１０と１１０を用いて、別個のレチクルを利用する必要性なしに擬似正弦波出力信号を生成することができる。エンコーダのコンポーネント数を増すことのほかに、別個のレチクルを適切に位置合わせすることは困難である。さらに、検出器アレイの組合せ及びコード部材２０と１２０の開口により形成された空間フィルタは、従来のエンコーダ設計よりも分解能を増大させることができる。また、光学エンコーダ１０と１１０のコード部材２０と１２０及び空間フィルタにより、光学エンコーダ１０と１１０が、コード部材２０と１２０及び検出器アレイ１３と１１３の位置合わせ不良をいっそうよく許容することを可能にする。例えば、図６ａ及び図６ｂを参照すると、図６ａにおいて最もよく看取されるように、移動方向２４が検出器アレイ１３の幅方向１８に対してほぼ平行であることが一般に望ましい。しかしながら、本発明の光学エンコーダ１０は、平行でない移動方向２４’の場合でも（即ち、移動方向２４’が検出器アレイ１３の幅方向１８に対して角度θだけ傾いている又は傾斜しているにもかかわらず）、満足な動作を提供する。係る平行でないアライメントは、製造中または動作中に生じる可能性がある累積した許容誤差または他の位置合わせ不良の結果であろう。
【００４５】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組合せからなる例示的な実施形態を示す。
１．光源と、
前記光源に対して間隔をおいて配置され、少なくとも１つの検出器セットを含み、前記少なくとも１つの検出器セットのそれぞれが複数の検出器要素からなる、検出器アレイと、
前記光源と前記検出器アレイとの間に配置されたコード部材とを含み、
前記コード部材と前記検出器アレイが、移動方向に沿って互いに対して移動可能であり、前記コード部材は、前記コード部材が前記検出器アレイに対して移動する際、前記光源により放出された光が前記検出器アレイを横切って進む光スポットを生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口を画定する、光学エンコーダ。
２．前記光スポットが、前記移動方向に沿って１つの検出器セットの幅より小さいが、１つの検出器要素の幅より大きい寸法を有するように、前記光源、前記検出器アレイ、及び前記コード部材が配置され、且つ前記コード部材の前記開口がそのようなサイズになっている、上記１に記載の光学エンコーダ。
３．同時に前記検出器アレイを照明するための約１つの光スポットを生じるように、前記光源、前記検出器アレイ、及び前記コード部材が配置され、且つ前記コード部材の前記開口が前記約１つの光スポットを生じるように離間されている、上記２に記載の光学エンコーダ。
４．同時に前記検出器アレイを照明するための１つだけの光スポットを生じるように、前記光源、前記検出器アレイ、及び前記コード部材が配置され、且つ前記コード部材の前記開口が前記１つだけの光スポットを生じるように離間されている、上記２に記載の光学エンコーダ。
５．前記光スポットが、前記移動方向に沿って１つの検出器セットの幅の約４０％〜約８０％の範囲の寸法を有するように、前記光源、前記検出器アレイ、及び前記コード部材が配置され、且つ前記コード部材の前記開口がそのようなサイズになっている、上記１に記載の光学エンコーダ。
６．前記光源が平行化光源であり、
前記コード部材により画定された開口のそれぞれが、前記移動方向に沿って１つの検出器セットの幅より小さいが、１つの検出器要素の幅より大きい寸法を有する、上記１に記載の光学エンコーダ。
７．前記コード部材により画定された開口のそれぞれが、前記検出器アレイの幅にほぼ等しい距離だけ、隣接する開口から離間されている、上記６に記載の光学エンコーダ。
８．前記光源が平行化光源であり、
前記コード部材により画定された開口のそれぞれが、前記移動方向に沿って１つの検出器セットの幅の約４０％〜約８０％の範囲の直径を有する、上記１に記載の光学エンコーダ。
９．前記光源が発光ダイオードを含む、上記１に記載の光学エンコーダ。
１０．前記検出器要素のそれぞれが、フォトダイオードからなる、上記１に記載の光学エンコーダ。
１１．前記少なくとも１つの検出器セットが、第１の検出器セットからなり、前記第１の検出器セットが、隣接する関係で配置された第１、第２、第３、及び第４の検出器要素からなり、前記光学エンコーダが、
前記第１の検出器要素と前記第３の検出器要素と関連して動作し、前記第１の検出器要素により生成された出力信号から前記第３の検出器要素により生成された出力信号を減算して、第１の出力を生成する第１の加算器と、
前記第２の検出器要素と前記第４の検出器要素と関連して動作し、前記第２の検出器要素により生成された出力信号から前記第４の検出器要素により生成された出力信号を減算して、第２の出力を生成する第２の加算器とをさらに含む、上記１に記載の光学エンコーダ。
１２．前記少なくとも１つの検出器セットが、第２の検出器セットをさらに含み、前記第２の検出器セットが、前記第１の検出器セットの前記検出器要素に隣接して配置された第５、第６、第７、及び第８の検出器要素からなり、
前記第１の加算器が、その出力に対して、前記第５の検出器要素により生成された出力信号から前記第７の検出器要素により生成された出力信号を減じたものを加算し、
前記第２の加算器が、その出力に対して、前記第６の検出器要素により生成された出力信号から前記第８の検出器要素により生成された出力信号を減じたものを加算する、上記１１に記載の光学エンコーダ。
１３．前記第１と第２の加算器と関連して動作する処理システムをさらに含み、前記処理システムが、前記第１と第２の加算器の一方からの出力信号の周波数に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイとの間の相対的な移動のスピードを求める、上記１１に記載の光学エンコーダ。
１４．前記第１と第２の加算器と関連して動作する処理システムをさらに含み、前記処理システムが、前記第１の加算器の前記第１の出力と前記第２の加算器の前記第２の出力との間の位相差に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイとの間の相対的な移動の方向を求める、上記１１に記載の光学エンコーダ。
１５．前記コード部材が、細長い部材からなり、前記コード部材により画定された前記複数の開口が、線に沿って配置されている、上記１に記載の光学エンコーダ。
１６．前記コード部材が、ディスク状部材からなり、前記コード部材により画定された前記複数の開口が、前記ディスク状部材の周辺部の周りに配置されている、上記１に記載の光学エンコーダ。
１７．光源と、
前記光源に対して間隔をおいて配置され、少なくとも１つの検出器セットを含み、第１の検出器セットが、隣接する関係で配置された第１、第２、第３、及び第４の検出器要素からなる、検出器アレイと、
前記光源と前記検出器アレイとの間に配置されたコード部材であって、前記コード部材と前記検出器アレイが、移動方向に沿って互いに対して移動可能であり、前記コード部材は、前記コード部材が前記検出器アレイに対して移動する際、前記光源により放出された光が前記検出器アレイを横切って進む光スポットを生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口を画定する、コード部材と、
前記第１の検出器要素と前記第３の検出器要素と関連して動作し、前記第１の検出器要素により生成された出力信号から前記第３の検出器要素により生成された出力信号を減算して、第１の出力を生成する第１の加算器と、
前記第２の検出器要素と前記第４の検出器要素と関連して動作し、前記第２の検出器要素により生成された出力信号から前記第４の検出器要素により生成された出力信号を減算して、第２の出力を生成する第２の加算器とを含む、光学エンコーダ。
１８．光源に対して間隔をおいて検出器アレイを配置し、前記検出器アレイが少なくとも１つの検出器セットを含み、各検出器セットが少なくとも４つの検出器要素からなり、
前記光源と前記検出器セットとの間にコード部材を配置し、前記コード部材と前記検出器アレイが移動方向に沿って互いに対して移動可能であるようになっており、前記コード部材は、前記コード部材が前記検出器アレイに対して移動する際、前記光源により放出された光が前記検出器アレイを横切って進む光スポットを生成するようにフィルタリングされる複数の円形開口または楕円開口を画定し、
前記検出器アレイの隣接していない検出器要素の少なくとも第１の対からの出力信号を組み合わせて、第１の擬似正弦波信号を生成する、方法。
１９．前記コード部材の開口が、ｉ）前記移動方向に沿って１つの検出器セットの幅より小さいが、１つの検出器要素の幅より大きい寸法を有し、且つii）前記検出器アレイの幅にほぼ等しい距離だけ、隣接する光スポットから離間されている前記光スポットを前記検出器アレイ上に生成するように、前記光源、前記コード部材、及び前記検出器アレイが配置され、且つ前記コード部材の前記開口が前記光スポットを生成するようなサイズになっていて離間されている、上記１８に記載の方法。
２０．前記第１の擬似正弦波信号の周波数に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイとの間の相対的な移動のスピードを求めることをさらに含む、上記１８に記載の方法。
２１．前記隣接していない検出器要素の少なくとも第１の対からの出力信号を組み合わせることが、前記出力信号を互いから減算することからなる、上記１８に記載の方法。
２２．隣接していない検出器要素の少なくとも第２の対からの出力信号を組み合わせて、第２の擬似正弦波信号を生成することをさらに含み、前記隣接していない検出器要素の第２の対が、前記隣接していない検出器要素の第１の対と互いにかみ合わされる、上記１８に記載の方法。
２３．前記第１と第２の擬似正弦波信号間の位相差に基づいて、前記コード部材と前記検出器アレイとの間の相対的な移動の方向を求めることをさらに含む、上記２２に記載の方法。
２４．前記隣接していない検出器要素の少なくとも第２の対からの出力信号を組み合わせることが、前記出力信号を互いから減算することからなる、上記２２に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】単一の検出器セットを含む検出器アレイを有する、第１の例示的な光学エンコーダの斜視図である。
【図２】図１に示された光学エンコーダの側面図である。
【図３】図１の光学エンコーダと共に利用され得るコードホイールの上面図である。
【図４】図１に示された検出器アレイの略図であり、個々の検出器要素が一対の加算器に如何にして接続されるかを示す図である。
【図５】図１に示された検出器アレイの検出器要素により生成された出力信号のグラフ図であり、横座標が検出器アレイに沿ったスポットの移動を示し、縦座標がいくつかの検出器要素と加算器の出力を示す図である。
【図６ａ】検出器アレイの幅寸法に実質的に平行である、移動方向に沿った図１の光スポットの経路に関する略図である。
【図６ｂ】検出器アレイの幅寸法に対して傾いている、移動方向に沿った図１の光スポットの経路に関する略図である。
【図７】２つの検出器セットを含む検出器アレイを有する、光学エンコーダの別の実施形態の斜視図である。
【図８】図７に示された検出器アレイの略図であり、個々の検出器要素が一対の加算器に如何にして接続されるかを示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
10、110  光学エンコーダ
12、112  光源
13、113  検出器アレイ
14、114  検出器セット
16、116  検出器要素
20、120  コード部材
22、122  開口
40、42、140、142  加算器
56、156  光
58、158  光スポット
60、160  処理システム
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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