(57)【要約】光ビームが光導波路（ＯＧ）により回転型光学ディスクの周辺の上に拡散される回転角度を測定するための光学エンコーダ・アセンブリ及び方法である。好適な実施形態において、回転型光学ディスクが、交互になっている透過セクション及び非透過セクションを有する１対の同心に配置された円形パターンを有する。各ビームが、光ファイバを介して、それぞれ円筒形状（ＣＯＧ）を有する１対の同心に配置されたＯＧの１つに入力され、そして光学ディスクを通って伝搬され、反射セクション及び非反射セクションの２つの同心に配置された円形パターンを有するミラーにより反射される。次いで、ＣＯＧは、光ビーム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。光学ディスクを介して光学ディスクの相当大きい部分上に行く光の強度を平均化するため、非常に高い精度を得ることができる。
2006515426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法であって、前記光学エンコーダ・アセンブリが、透過セクション及び吸収セクションのパターンを備える回転型光学ディスクと、パターン形成されたミラーと、１又はそれより多い光導波手段とを備える、前記方法において、
光源から放出された光ビームが、前記光導波手段により前記回転型光学ディスクの実質的部分の上に分散され、
前記光ビームの光線が、前記光学ディスクの透過セクションを通って伝搬されて、前記ミラーに入射するようになり、
前記ミラーにより反射され、前記回転型光学ディスクを戻るよう通って前記光導波手段に伝搬された光の量が測定され、
それにより、信号が、回転角度に応じて生成され、且つ当該回転角度を示す、光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項２】
透過セクション及び吸収セクションの前記パターンが、円形パターンであり、
前記光導波手段は、光線をそれ自体内に閉じ込めるよう光学的に設計されている透過性周辺壁を有する円筒形光導波路であり、それにより前記光ビームが、前記周辺壁を通るよう走行して、前記円筒形光導波路から前記透過性周辺壁の端部における端末周辺リムを介して放出され、且つ前記円形パターン上に重なる光の円として前記光学ディスクの周辺の上に分散される
請求項１記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項３】
第１の円筒形光導波路を備え、
前記第１の円筒形光導波路は、当該第１の円筒形光導波路及び第２の円筒形光導波路が共通の対称軸を有するように前記第２の円筒形光導波路の中空内部空間内に設置され、
前記円筒形光導波路のそれぞれが、それ自体内に光線を閉じ込めるよう光学的に設計されている周辺壁を有し、それにより、光源から放出された１対の光ビームが、前記第１及び第２の光導波路のそれぞれの周辺壁を通るよう走行して、前記円筒形光導波路からそれらの各端末周辺リムを介して放出され且つ前記回転型光学ディスクの周辺の上に分散され、
それにより、光の２つの同心円が、前記回転型光学ディスク上に設けられた吸収セクション及び透過セクションの２つの同心パターンであり、
前記光の同心円からの光線は、前記光学ディスクの前記透過セクションを通って伝搬されて、前記ミラー上に入射するようになり、
前記ミラーにより反射され、前記回転型光学ディスクを戻るよう通って前記光導波路のそれぞれの中に伝搬され、
それにより、信号が、回転角度に応じて生成され、且つ前記回転角度並びに回転の方向を示す
請求項１記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項４】
前記パターンが反射セクション及び吸収セクションから成り、
前記反射セクションに入射した光線のみが、前記光導波手段に戻され、それにより前記光導波手段により出力される光の量が、前記回転型光学ディスク及び静止光ミラーの相対位置に依存する
請求項１記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項５】
前記パターンが、前記光学ディスク上の透過セクション及び吸収セクションの円形パターンの半径方向位置と同じ半径方向位置に配設されている反射セクション及び吸収セクションの円形パターンであり、それにより、前記反射セクションに入射した光線のみが、前記光導波手段に戻され、それにより前記光導波手段により出力される光の量が、前記回転型光学ディスク及び静止型光ミラーの相対的角度位置に依存する請求項１記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項６】
前記ミラーが、反射セクション及び吸収セクションの２つの同心の円形パターンを有し、
前記同心の円形パターンが、前記ミラー上で、前記光学ディスク上の透過セクション及び吸収セクションの２つの同心の円形パターンの半径方向位置と同じ半径方向位置に配設され、
それにより、前記反射セクションに入射した光線のみが、前記第１及び第２の光導波手段に戻され、それにより前記光導波手段のそれぞれにより出力される光の量が、前記回転型光学ディスク及び静止光ミラーの相対的角度位置に依存する
請求項３記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項７】
前記円筒形光導波路から出る光ビームが、最初に、前記円筒形光導波路と前記回転型光学ディスクとの間に配設された静止光学ディスクを通り、次いで前記回転型光学ディスクを通って伝搬し、
平坦なミラーを用いて、入射光線を前記円筒形光導波路に戻るよう反射させる
請求項３記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項８】
前記円筒形光導波路から出る光ビームが、最初に、静止光学ディスクを通り、次いで前記回転型光学ディスクを通って伝搬され、
前記回転型光学ディスクが、入射光線を前記円筒形光導波路に戻るよう反射する平坦なミラーの表面に取り付けられる
請求項３記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項９】
１束の光ファイバを用い、それにより１つの光ファイバが光を前記光導波路に放出し、且つ他の光ファイバが前記光導波路から放出された光を収集する
請求項１記載の光学エンコーダ・アセンブリにより回転角度を測定する方法。
【請求項１０】
ａ．ロータリ・シャフトと、
ｂ．前記ロータリ・シャフトの中心に取り付けられ、且つ前記ロータリ・シャフトに対して垂直に傾けられている回転型光学ディスクであって、交互になっている光吸収性表面と光透過性表面のパターンを有する回転型光学ディスクと、
ｃ．前記回転型光学ディスクの前面に対面している光導波路であって、光線を前記光学ディスクの方向に放出し、且つ光線を前記光学ディスクの方向から受け取る光導波路と、
ｄ．前記光学ディスクの背後で前記光導波手段に対して離れて配設され且つ前記回転型光学ディスクに対して平行に傾けられ、それによりミラーの反射面が前記回転型光学ディスクの背面に対面している前記ミラーと
を備え、
前記ロータリ・シャフト、回転型光学ディスク、光導波路及びミラーが共通の対称軸を有する、ロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１１】
前記光導波手段に光入口表面で入る光ファイバであって、光源から放出された光ビームを前記光導波路に導き、且つ前記光導波路によって出力された光ビームを前記光導波路から電子表面に導く前記光ファイバを更に備え、
前記光ファイバの中心線が、前記光入口表面において前記対称軸と整合されている
請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１２】
前記回転型光学ディスク上の透過セクション及び吸収セクションの前記パターンが、円形パターンであり、
前記光導波手段が、端末周辺リムを有する円筒形光導波路である
請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１３】
前記光学エンコーダが１束の光ファイバを備える請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１４】
前記回転型光学ディスク上の透過セクション及び吸収セクションの前記パターンが、交互になっている吸収セクション及び透過セクションの２つの同心円から成り、
前記光学エンコーダ・アセンブリは、第１の円筒形光導波路及び第２の円筒形光導波路が共通の対称軸を有するよう前記第２の円筒形光導波路の中空の内側空間内に設置されている前記第１の円筒形光導波路を備え、
前記円筒形光導波路のそれぞれが、前記回転型光学ディスクに対面している端末周辺リムで終わる周辺壁を有する
請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１５】
前記ミラーが、反射セクション及び吸収セクションのパターンを有する静止ミラーである請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１６】
前記ミラーが、前記光学ディスク上の透過セクション及び吸収セクションの円形パターンと同じ幾何学的位置に配設されている反射セクション及び吸収セクションの円形パターンを有する請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１７】
前記ミラーが、反射セクション及び吸収セクションの２つの同心の円形パターンを有し、
前記同心の円形パターンが、前記光学ディスク上の透過セクション及び吸収セクションの２つの同心の円形パターンと同じ幾何学的位置に配設されている
請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１８】
前記ミラーが逆の反射表面を有する請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項１９】
前記ディスクの周辺の周りに延在する２つの環状のＶ字形状突起から成る逆の反射表面が、前記ディスクの背面上に設けられる請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項２０】
静止光学ディスクが、円筒形光導波路及び前記回転型光学ディスクとの間に配設され、
平坦なミラーを用いて、入射光線を前記円筒形光導波路に戻るよう反射させる
請求項１０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項２１】
１つ又はそれより多い光源が、前記回転型光学ディスク及び前記パターン形成された静止光学ディスクの後ろに位置され、
光が、前記回転型光学ディスク及び前記パターン形成された静止光学ディスクの方向から円筒形光導波路を通って前記円筒形光導波路の光入口表面に進む
請求項１８記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項２２】
前記回転型光学ディスクが、入射光線を前記円筒形光導波路に戻るよう反射する前記平坦なミラーの表面に取り付けられる請求項２０記載のロータリ・シャフトの角度位置を示す光学エンコーダ・アセンブリ。
【請求項２３】
光導波路が中空の内側空間を有するように透過性包囲壁により包囲された中空本体から成る光導波路であって、
前記透過性包囲壁が、前記光導波路の中に放出された光線を閉じ込めるよう光学的に設計され、
前記透過性包囲壁が、前記光導波路の第１の端部で光ビームを受け取り又は放出する円形の端末周辺リムと、前記光導波路の第２の端部で光ビームを受け取り又は放出する光入口表面とを有する
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２４】
前記光入口表面が、光ビームを１又はそれより多い光ファイバを介して受け取り、それにより、前記光ファイバの中心線が、前記光入口表面で円筒形光導波路の対称軸と整合されている請求項２３記載の光導波路。
【請求項２５】
中空のじょうご形セクションの中に延在する中空の円筒形セクションから成る円筒形光導波路であって、
前記セクションは、前記円筒形光導波路が中空の内側空間を有するように透過性包囲壁により包囲されており、
前記透過性包囲壁が、前記円筒形光導波路に放出された光線を閉じ込めるよう光学的に設計され、
前記透過性包囲壁が、端末周辺リムを前記円筒形光導波路の第１の端部に、且つ光入口表面を前記円筒形光導波路の第２の端部に有する
ことを特徴とする円筒形光導波路。
【請求項２６】
前記光入口表面が、光ビームを１又はそれより多い光ファイバを介して受け取り、それにより前記光ファイバの中心線が、前記光入口表面で前記円筒形光導波路の対称軸と整合している請求項２５記載の円筒形光導波路。
【請求項２７】
交互になっている放出／受け取りセクション及び非放出／非受け取りセクションが、前記端末周辺リム上に設けられている請求項２３記載の円筒形光導波路。
【請求項２８】
前記放出／受け取りセクションが、真っ直ぐの周辺部を有するセクションであり、
前記非放出／非受け取りセクションが、光線の反射を前記周辺部を通させる適切な角度に傾けられている周辺部を有する
請求項２７記載の円筒形光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［背景］
本発明は、電気モータ又は他の回転する装置でよく用いられている光学エンコーダに関する。そのような光学エンコーダの例は、Ｂｅｃｃｈｉ他による米国特許Ｎｏ．４，２６８，７４７（１９８１）及びＢｒｅｓｌｏｗによる米国特許Ｎｏ．４，４１０，７９８（１９８３）に見つけることができる。
【０００２】
それらの発明以来、光学エンコーダは、ロボット、自動機械及び他のアセンブリにおいてロータリ・シャフト位置制御のための位置フィードバック装置として広く用いられてきた。
【０００３】
既知のエンコーダは、モータ・シャフトに固定された回転型光学ディスクであって、交互になっている光学的特性のセクションのパターン（例えば、透過セクション及び非透過セクションを有するスロット）を有する上記の回転型光学ディスクを用いる。当該ディスクは、光ビームの経路上で光放出器と光センサとの間に配置される。次いで、光センサは、その振幅がシャフト位置に従って周期的に変化する電子信号を生成する。次いで、電子回路を用いて、電子信号の周期数をカウントし、初期の位置に対する瞬時シャフト位置についての情報を提供する。
【０００４】
１対の光ビームを用いて、回転の方向を感知し、そこにおいて、第２のビームの経路が、第１の電子信号に類似しているが、しかし第１の電子信号の周期の４分の１だけ角度位置が偏移した第２の電子信号を生成するように位置決めされる。そのような２つの電子信号は、以降直交していると呼ぶ。
【０００５】
上記の方法の改善は、交互になっている光学的特性を有するセクションの幾つかをカバーする光ビームを用いる一方、固定のマスクを回転型光学ディスクと光センサとの間に配置することから成る。マスクは、ディスク・パターンと同一のパターンを有し、光センサの少なくとも表面を覆う。マスク及びディスクのパターンが一致するときはいつも、最大の光が透過されるのに対して、ディスク及びマスクのパターンが反対の相であるときは、光透過度は最小である。従って、センサまで透過される光量、及びセンサにより生成される電子信号の振幅が、角度位置の周期関数となる。
【０００６】
位置フィードバック装置の精度及び解像度を改善する継続した動向が存在する。
精度を制限する第１の要因は、幾らかの機械的公差に起因した回転型光学ディスクの小さい偏心運動である。２つのビームがその光学ディスク上の定義された位置においてシャフトの一方の側上で当該光学ディスクを横切るので、シャフトの横方向の運動が、光検出器に到達する光量に影響を与え、従って位置情報における誤差を生成する。そのような横方向の運動は、シャフトを保持するロール・ベアリングにおける交差又は光学ディスク・アセンブリにおける公差により生じる可能性がある。
【０００７】
第２の要因は、回転するディスク上のパターンの精度である。そのパターンの不規則さが不均等な周期を発生し、それにより光学ディスクがシャフトの角度位置を示し損なう。２つのビームが光学ディスク上の定義された位置においてシャフトの一方の側上で当該光学ディスクを横切るので、ディスク・パターンの不規則さが、光検出器に到達する光量に影響を及ぼし、従って、誤差を位置情報に導入する。
【０００８】
第３の要因は、直交した２つの信号間の位相差の不十分な精度であり、この位相差は２つのレセプター（受信器）（ｒｅｃｅｐｔｏｒ）の所定の相対位置決めにより得られ、その精度が制限される。
【０００９】
別の局面においては、光学エンコーダの解像度が増大する場合、発生される電気信号の周波数もまた増大する。そのような高い周波数は、ワイヤを介して伝送することが一層困難となり、雑音排除性の問題が生じる。従って、ワイヤを遮蔽しなければならず、その結果コストがより高くなり、またシステムの信頼性が低下する。
【００１０】
一部のエンコーダにおいては、この困難は、シリアル通信線をエンコーダと制御器との間に用いることにより克服される。しかしながら、この場合、電子回路を追加して、電子信号をシリアル・コードに変換しなければならない。また、遅延が、エンコーダ位置検出と制御器により読み取られる実際の情報との間に導入される。
【００１１】
既知の光学エンコーダの更に別の欠点は、エンコーダ自体の内部に電子回路を必要とすることである。この電子回路は、２つの電気信号を方形波パルスに整形するため一般的に用いられている。そのような電気回路は、電源を、従ってエンコーダへの追加のワイヤを必要とする。再び、ケーブル・サイズ及び導体の数が増大し、その結果、例えば産業環境において用いるとき信頼性が低下することをもたらす。その上、電子インターフェースのコスト、及び当該インターフェースをエンコーダ内に組み立てるコストは、比較的高い。
【００１２】
従って、通常用いられているエンコーダの欠点を克服する光学エンコーダを設計することが望ましい。電源を必要とせず、また遅延が位置情報に導入されない光学エンコーダを有することが望ましい。更に、位置信号がａ）電気雑音に対して不感受であり、ｂ）回転中のディスクの機械的偏心運動に敏感でなく、ｃ）エンコーダ・ディスクの取り付けの不正確さ又はエンコーダ・ディスク・パターンの不規則さに敏感でなく、ｄ）ディスクの機械的振動に敏感でない光学エンコーダを有することが望ましい。
【００１３】
［発明の概要］
本発明は、回転型光学ディスク及びミラーを備える光学エンコーダであって、光ビームが、電子インターフェースから放出され、且つ光ファイバにより、上記回転型光学ディスクの回転軸と同じ向きを有する対称軸を有する１又はそれにより多い円筒形光導波路に伝達される上記光学エンコーダに関する。円筒形光導波路の発明の設計に起因して、円筒形光導波路から放出された光ビームが、回転型光学ディスクの周辺の上に分散される。光ビームは、回転型光学ディスクを通ってミラーに伝搬され、次いで当該ミラーにより反射され、それによりそれらの光ビームは、上記回転型光学ディスクを戻るよう通って円筒形光導波路に伝搬され、そして当該円筒形光導波路から光ファイバに伝搬され、上記離れた電子表面に伝達され、そこで、位置の指示が生成される。
【００１４】
［好適な実施形態の詳細な説明］
本発明は、共通の対称軸を有する回転型光学ディスク、ミラー及び少なくとも１つの光導波路を備える光学エンコーダを用いて回転角度を示す方法であって、光ビームが上記光導波路から放出され、それによりそれらの光ビームが上記回転型光学ディスクの周辺の上に分散される上記方法に関する。光のビームは、上記回転型光学ディスクを通って上記ミラー上へ伝搬し、そしてそれらの光ビームは、上記ミラーにより反射され、それによりそれらの光ビームは、回転型光学ディスクを戻るよう通って上記光導波路に伝搬される。光導波路から出る反射された光の量が測定され、そして信号は、回転角度に応じて生成され、上記回転角度を示す。
【００１５】
別の局面に従って、本発明は、ロータリ・シャフトに取り付けられた回転型光学ディスクと、回転型光学ディスク及びロータリ・シャフトの回転軸と同じ向きを有する対称軸を有する円筒形光導波路（ＣＯＧ）と、上記回転型光学ディスクがＣＯＧとミラーとの間に位置されるように上記回転型光学ディスクに対して平行に配設されたミラーとを備える光学エンコーダ・アセンブリであって、上記光学エンコーダ・アセンブリが更に、光が上記ＣＯＧの中に放出され又はそれから受け取られる光入口表面に第１の端部を有する少なくとも１つの光ファイバと電子インターフェースに接続されている第２の端部とを備える上記光学エンコーダ・アセンブリを提案する。
【００１６】
更に別の局面に従って、本発明は、第１及び第２の光導波路（ＯＧ）が回転型光学ディスクの回転軸と同じ向きを有する共通の対称軸を有するように放射形対称の第２のＯＧ内に設置されている放射形対称の第１のＯＧを有する光学エンコーダ・アセンブリを用いてロータリ・シャフトの回転角度を示す方法であって、光ビームが回転型光学ディスクの方向に電子インターフェースから光ファイバを介して放出され、そして上記光ビームが共通の放射形対称の中心を有する２つのビームの形で上記回転型光学ディスクの周辺上に上記ＯＧにより拡散される、上記方法を提案する。本発明の方法に従って、上記ビームからの光線は、上記光学ディスクを通ってミラーの方向に伝搬され、そしてそれらの光線は、上記ミラーにより反射され、それによりそれらの光線は、上記光学ディスクを逆方向に通過して、上記ＯＧに再入射する。次いで、ＯＧのそれぞれは、それに受け取られた反射された光線を上記光ファイバにより上記の離れた電子インターフェースに戻るよう導く。従って、上記の離れた電子インターフェースは、光信号を、回転型光学ディスクが固定されているシャフトの回転角度を示す電子信号に変換する。
【００１７】
本発明の方法及びアセンブリの利点に従って、回転型光学ディスクを通って当該光学ディスクの周辺上へ行く光の強度が平均化されるため、非常に高い精度を得ることができ、この平均化特性は、機械的公差、及び回転型光学ディスク・パターンの不規則性に起因した不正確さを低減する。
【００１８】
本発明の方法及びアセンブリの別の利点は、モータ制御器システムのように、光学エンコーダ・アセンブリが実装されるシステム内に他とは別に統合化されることができ、そして電源を光学エンコーダ内に必要としないことである。
本発明のアセンブリ及び方法の更なる利点は、遅延が角度位置情報に導入されないことである。
【００１９】
本発明のアセンブリ及び方法の更に別の利点は、位置信号がａ）電子雑音に対して不感受であり、ｂ）回転中のディスクの機械的偏心運動に敏感でなく、ｃ）エンコーダ・ディスクの取り付けの不正確さ又はエンコーダ・ディスク・パターンの不規則さに敏感でなく、ｄ）ディスクの機械的振動に敏感でないことである。
【００２０】
本発明が、好適な実施形態に関して以下で説明されるであろう。しかしながら、本発明の範囲及び特許請求の範囲内に依然留まる他の変形及び変更を行い得ることが理解されるであろう。
【００２１】
図１を参照すると、本発明に従った光学エンコーダ・アセンブリの好適な実施形態が、その対称軸１に沿った中央断面図で示されている。光学エンコーダ・アセンブリは、ロータリ・シャフト３に取り付けられている回転型光学ディスク２と、この回転型光学ディスク２の背後に当該回転型光学ディスク２と平行に整列されているミラー４とを備え、そのミラー４の反射表面４ａは回転型光学ディスク２に面している。光学エンコーダ・アセンブリは更に、円筒形状を有する１対の光導波路（なお、以下では円筒形光導波路（ＣＯＧ）５及び６と記す。）を備え、ＣＯＧ５は、端末周辺リム５ａ及び中空の内側ボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）５ｂを有し、そしてＣＯＧ６は、端末周辺リム６ａ及び中空の内側ボリューム６ｂを有する。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６と同じ形状を有するが、しかしＣＯＧ５のサイズはＣＯＧ６より小さい。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６の中空の内側ボリューム６ｂ内に配設され、ＣＯＧ５及び６の端末周辺リム５ａ及び６ｂは、ＣＯＧ５及び６及びモータ・シャフト３の対称軸がアセンブリ対称軸１と整合されるように上記回転型光学ディスク２にそれぞれ対面している。
【００２２】
図２で最良に分かるように、即ち、全体的にＡで示された図１の好適な実施形態に従ったＣＯＧの斜視図で最良に分かるように、ＣＯＧ（Ａ）は、対称軸（Ｘ）と透過性の包囲壁（Ｗ）とを有する中空の構造である。好適な実施形態に従って、ＣＯＧ（Ａ）は、中空の内側ボリューム８を有する中空の円筒形部分７を備え、上記透過性包囲壁は、上記中空の円筒形部分７の第１の端部に端末周辺リム９を有する。中空のじょうご形状部分１０は、中空の円筒形部分７の第２の端部から離れるよう上記端末周辺リム９まで延在し、中空のじょうご形状部分１０は、中空の内側ボリューム１０ｂ及び端部部分１１を有する。光ファイバ１２は、ＣＯＧを光入口表面１３で上記端部部分１１内にいれる。
【００２３】
本発明が、好適な実施形態に関して以下で説明されるであろう。しかしながら、本発明の範囲及び特許請求の範囲内に依然留まる他の変形及び変更を行い得ることが理解されるであろう。
【００２４】
図１を参照すると、本発明に従った光学エンコーダ・アセンブリの好適な実施形態が、その対称軸１に沿った中央断面図で示されている。光学エンコーダ・アセンブリは、ロータリ・シャフト３に取り付けられている回転型光学ディスク２と、この回転型光学ディスク２の背後に当該回転型光学ディスク２と平行に整列されているミラー４とを備え、そのミラー４の反射表面４ａは回転型光学ディスク２に面している。光学エンコーダ・アセンブリは更に、円筒形状を有する１対の光導波路（なお、以下では円筒形光導波路（ＣＯＧ）５及び６と記す。）を備え、ＣＯＧ５は、端末周辺リム５ａ及び中空の内側ボリューム５ｂを有し、そしてＣＯＧ６は、端末周辺リム６ａ及び中空の内側ボリューム６ｂを有する。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６と同じ形状を有するが、しかしＣＯＧ５のサイズはＣＯＧ６より小さい。ＣＯＧ５は、ＣＯＧ６の中空の内側ボリューム６ｂ内に配設され、ＣＯＧ５及び６の端末周辺リム５ａ及び６ｂは、ＣＯＧ５及び６及びモータ・シャフト３の対称軸がアセンブリ対称軸１と整合されるように上記回転型光学ディスク２にそれぞれ対面している。
【００２５】
図２で最良に分かるように、即ち、全体的にＡで示された図１の好適な実施形態に従ったＣＯＧの斜視図で最良に分かるように、ＣＯＧ（Ａ）は、対称軸（Ｘ）と透過性包囲壁（Ｗ）とを有する中空の構造である。好適な実施形態に従って、ＣＯＧ（Ａ）は、中空の内側ボリューム８を有する中空の円筒形部分７を備え、上記透過性包囲壁は、上記中空の円筒形部分７の第１の端部に端末周辺リム９を有する。中空のじょうご形状部分１０は、中空の円筒形部分７の第２の端部から離れるよう上記端末周辺リム９まで延在し、中空のじょうご形状部分１０は、中空の内側ボリューム１０ｂ及び端部部分１１を有する。光ファイバ１２は、光線を上記端部部分１１の光入口表面１３を介してＣＯＧに導入し、それにより光ファイバ１２は、上記光入口表面１３でＣＯＧの上記対称軸（Ｘ）と整列されている。
【００２６】
ＣＯＧは、光ファイバと同じ原理により挙動する。ＣＯＧの形状及び材料は、光ファイバ１２を介してＣＯＧ（Ａ）に入る光線が常に全反射最小角度より小さい入射角度で透過性包囲壁（Ｗ）の内側表面又は外側表面に遭遇するように設計される。その結果として、及び図２に示されるように、光ファイバ１２を介してＣＯＧ（Ａ）に導入される光線１５、１６は、上記透過性包囲壁（Ｗ）の内側ボリュームの中に反射されて、当該光線１５、１６がＣＯＧボリュームに出力されるＣＯＧ（Ａ）の上記端末周辺リム９にそれらの光線１５、１６が到達するまで透過性包囲壁（Ｗ）の上記内側ボリューム内に閉じ込められる。上記端末周辺リム９から出る光ビームが円形形状を有することが理解されるであろう。
【００２７】
本発明の光導波路は、端末周辺リムが残っている限り非対称な設計を含む異なる設計に従って作られ得ることが理解されるであろう。
【００２８】
再び図１を参照すると、ＣＯＧ５及び６のそれぞれが、５ｄ及び６ｄのそれぞれで示される中空の円筒部分を備え、そして上記ＣＯＧ５及び６のそれぞれは、周辺壁５ｄ及び６ｄのそれぞれにより包囲され、上記周辺壁５ｄ及び６ｄは、端末周辺リム５ａ及び６ｂのそれぞれで終わる。じょうご形状の中空部分５ｅ及び６ｅは、上記円筒部分５ａ及び６ａのそれぞれから離れるよう上記端末周辺リム５ａ及び６ａまで延在している。上記じょうご形状の中空部分５ｅ及び６ｅは、端部部分５ｆ及び６ｆをそれぞれ有し、そして光ファイバ７ａ、７ｂは、上記ＣＯＧ５及び６の上記端部部分５ｆ及び６ｆに光入口表面５ｇのそれぞれで接続され、それにより上記光ファイバ７ａ、７ｂの中心線は、上記光入口表面５ｅ及び６ｅのそれぞれで上記ＣＯＧ５及び６の上記対称軸１と整合される。
矢印Ｒは、光ファイバ７ａ、７ｂが通じている電子表面（図示せず）の方向を示している。
【００２９】
図１の構成において、上記周辺壁の内側ボリューム５ｂ及び６ｂ内の光ファイバ７ａ及び７ｂのそれぞれから到来するいずれの光線を閉じ込めるＣＯＧ５及び６の周辺壁５ｄ及び６ｄの構造及び構成物に起因して、光の２つの同心の円形ビームがＣＯＧ５及び６により光学ディスク２の方向に放出される。
【００３０】
回転型光学ディスク２の拡大図が図３に示されている。回転型光学ディスク２は、吸収性材料から作られている。回転型光学ディスク２上で、交互になっている透過窓２１及び吸収セクション２２の２つの同心の円形パターン１９及び２０が設けられている。好適な実施形態に従って、回転型光学ディスク２上の２つの同心の円形パターン１９及び２０は、固定の角度オフセットを有するよう設計されている。他のパターンを用いてもよく、本発明もこの好適な実施形態も例示としてのみである図３に示されるパターンに限定されるものではないことが理解されるであろう。
【００３１】
再び図１を参照すると、本発明の方法に従って、図１のＣＯＧ５及び６の端末周辺リム５ａ及び６ａのそれぞれから出る光線はそれぞれ、回転型光学ディスク２に向けて指向される。ＣＯＧ５及び６のそれぞれのサイズは、ＣＯＧ５が入力の光ビームを、回転型光学ディスク２上に設けられた２つの円形同心パターンの内側上の第１の円形ビームの中に拡散する一方、ＣＯＧ６は、その入力の光ビームを、回転型光学ディスク２上に設けられた２つの円形同心パターンの外側上の第２の円形ビームの中に拡散する。
【００３２】
回転型光学ディスク２上の交互になっている透過窓２１及び吸収セクション２２のパターンに起因して、ＣＯＧ５及び６のそれぞれの上記端末周辺リム５ａ及び６ａから出る円形ビームのそれぞれの光線は、一部は上記回転型光学ディスク２の吸収セクション２２で吸収され、そして一部は透過窓２１を通ってミラー４へ伝達される。
【００３３】
図４、即ち、図３に示される光学ディスクと一緒に図１の光学エンコーダ・アセンブリのミラー４として適用されるのに適したミラーの拡大図で最良に分かるように、ミラー４は、回転型光学ディスク２に面している反射表面４ａを有する。反射表面４ａ上に、吸収セクション４ｂの２つの同心の円形パターン２３及び２４が、回転型光学ディスク２のそれに類似した幾何学的構成を有して、設けられる。しかしながら、他のパターンを用いてもよく、そして本発明も、また図１及び図６から図９に示される好適な実施形態も例示としてのみである図４に示されるパターンに限定されるものでないことが理解されるであろう。
【００３４】
再び図１を参照すると、上記ＣＯＧ５及び６の上記端末周辺リム５ａ及び６ｃの１つから出て回転型光学ディスク２上の透過窓２１を通って伝搬される光のビームの光線が、反射特性を有するミラー４のセクションに遭遇するときはいつも、上記光線は、回転型光学ディスク２の方へ戻るよう反射され、そして回転型光学ディスク２上の透過窓２１を通って、そしてそれら光線は、ＣＯＧ５及び６のそれぞれの端末周辺リム５ａ及び６ａに帰り着く。次いで、反射された光線は、上記端末周辺リム５ａ及び６ａを通ってＣＯＧ５及び６に再び入り、ＣＯＧ光入口表面５ｅ及び６ｅのそれぞれに戻るよう導かれ、そこではそれらの光線は、光ファイバ７ａ及び７ｂにより収集され、そして回転角度及びロータリ・シャフトの方向を示す信号を生成する離れた電子表面に伝えられる。
【００３５】
本発明の方法及びアセンブリに従って、ＣＯＧ５及び６のそれぞれの端末周辺リム５ａ及び６ａに戻された反射光の量は、ミラー４に対するＣＯＧ５及び６の位置に依存する。回転型光学ディスク２が、ミラー４の吸収セクション４ｂが回転型光学ディスク２の透過セクション２１と一致する位置にあるときはいつも、最小の光が、反射される。回転型光学ディスク２が、ミラー４の反射セクション２４ａが回転型光学ディスク２の透過セクション２１と一致する位置にあるときはいつも、最大量の光が、反射される。回転型光学ディスク２及びミラー４の同心のパターンは、ミラー４から回転型光学ディスク２を介して端末周辺リム５ａ及び６ａに戻るよう反射される光の量が１対の別々の光信号を生じるように設計される。なお、上記光信号のそれぞれは、モータ・シャフト３の回転角度の周期関数である。
【００３６】
好適な実施形態に従って、回転型光学ディスク２及びミラー４上の同心のパターンは、固定の角度オフセットを有するよう設計され、それにより同じ角度周期形式を有する上記１対の光信号は、角度周期位相差の４分の１を与える。
【００３７】
図５は、光源から放出されたビームを光ファイバに指向させ、そして反射された光を、光検出器を用いて本発明のエンコーダから離れている電子表面に案内する１つの方法を示す。図５の実施形態においては、これは、ビーム分割の周知の技術により行われる。図５に見られるように、ビーム・スプリッタ２５を用いて、光源２７から放出されたビーム２６を光ファイバ２８に向けて伝搬させるのを可能にし、当該光ファイバ２８は、上記ビーム２６を光導波路に伝える（図５に図示せず）。光導波路から戻る反射された光ビームが上記光ファイバ２８を通って上記ビーム・スプリッタ２５まで伝搬され、それにより上記ビーム・スプリッタ２５が参照番号２９で示された上記光ビームを光検出器３０に指向させる。次いで、上記反射された光ビーム２９は、光検出器３０により電子信号３１に変換され、そして上記電子信号３１は、既知の技術に従って電子インターフェース３２に送られる。図１の好適な実施形態において、２つのビームが、２つの光導波路から反射され、そして２つの電子信号が、電子インターフェース３２に送られ、それにより電子インターフェース３２を用いて、既知のようにこれらの信号を位置情報に変換し得ることが理解されるであろう。
【００３８】
図６は、本発明の光学エンコーダの対称軸１に沿った垂直断面図で示されたその光学エンコーダの別の実施形態を示し、そこにおいて、図１及び図６の実施形態に共通である本発明の光学エンコーダの構成要素は、同じ参照番号により示されている。
【００３９】
図６の実施形態において、パターン形成された静止光学ディスク３４が、COG５及び６の端末周辺リム５ａ及び６ａと回転型光学ディスク２との間に配設され、それにより上記パターン形成された静止光学ディスク３４は、同じ対称軸１を有し、且つ回転型光学ディスク２と同じ垂直平面に存在する。図１のパターン形成されたミラー４の代わりに、図６の実施形態においては、非反射セクションのパターン無しの反射表面３５ａを有する平坦なミラー３５を用い、上記平坦なミラー３５が対称軸１に沿って上記回転型光学ディスク２と平行に整列され、そして反射表面３５ａを有する上記平坦なミラー３５が上記静止光学ディスク３４及び上記回転型光学ディスク２に対面していることが、図６の実施形態の更なる特徴である。
【００４０】
図７は、図６の実施形態に類似する本発明の光学エンコーダの更に別の実施形態を示す。図７において、同じ参照番号を用いて、図６及び図７に共通である構成要素を示す。図７の実施形態においては、回転型光学ディスク２が、COG５及び６と上記固定の光学ディスク３４との間に配置される。
ミラー３５が固定され、且つ光学ディスク３４が回転する、図７の実施形態の別の変形を行ってもよいことが当業者に理解されるであろう。
【００４１】
図６及び図７の実施形態において、回転型光学ディスク２及びパターン形成された静止光学ディスク３４の後ろに位置された光源を、COG５及び６の端末周辺リムから放出される光ビームの代わりに用い得ることが理解されるであろう。この場合、COG５及び６はただ、回転型光学ディスク２及びパターン形成された静止光学ディスク３４を通る光を上記COG５及び６のそれぞれの光入口表面５ｅ及び６ｅへ案内するよう働く。
【００４２】
図６及び図７の実施形態において、回転型光学ディスク２及びパターン形成された静止光学ディスク３４の後ろに位置された光センサ手段を用いて、上記光学ディスク２及び３４を通った光の量を直接検知し得ることが更に理解されるであろう。
【００４３】
図８は、図６の本発明の光学エンコーダに類似する本発明の光学エンコーダの実施形態を示し、当該実施形態においては、光学エンコーダが、静止光学ディスク３４と、一体化された回転要素３６とを備え、上記一体化された回転要素３６は、交互になっている反射特性及び吸収特性を有するセクションを有する単一のディスクを達成するように、ミラー３６ａ及び光学ディスク３６ｂを備える。上記一体化された回転要素は、シャフト３に固定され、そして静止光学ディスク３４の垂直平面に対して平行である垂直平面に存在する。ミラー３６ａ及び光学ディスク３６ｂがシャフトＸに別々に固定される、好適な実施形態の別の変形を用い得ることが理解されるであろう。図６及び図８の実施形態に共通である本発明の光学エンコーダの構成要素は、同じ参照番号により示されている。
【００４４】
図９は、ミラーが逆の反射表面（ｒｅｔｒｏ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｕｒｆａｃｅ）により置き換えられている、図６の本発明の光学エンコーダに類似する本発明の光学エンコーダの実施形態を示す。当業者は、本発明の光学エンコーダにおいて、正確に平行であり且つそれらの入射方向に対して反対である方向に入射光線を反射させる特徴を有するような逆の反射表面を適用する利点を知るであろう。図９の特定の実施形態において、逆の反射表面は、ディスクの背面上に、透過性材料の２つの環状のＶ字形状の突起３７ａ及び３７ｂの形で実現される。上記Ｖ字形状の突起３７ａ及び３７ｂのそれぞれの角度３７ａ．１及び３７ｂ．１が９０°であり、それによりＣＯＧを出る光線がＣＯＧに戻されるであろう。これらの２つのＶ字形状の突起が、図８に示されるミラーに有利に取って代わる。
【００４５】
本発明の光学エンコーダ・アセンブリの異なる実施形態に適用されるべきいずれのミラー及び反射表面が、逆の反射表面により置き換えられ得ることが理解されるであろう。
図１０において、図１の光ファイバ７ａ及び７ｂのような単一の光ファイバの代わりに１束の光ファイバ３８を用いる更に別の実施形態が示されている。図１０は、上記束３８に備えられた複数の光ファイバｆ１−ｆ７の斜視図を示すＣＯＧ３９の端部部分３９の一部分の中心セクションを示す。図１０に見られるように、上記光ファイバｆ１−ｆ７は、上記ＣＯＧ３９の開口端部３９ａに光入口表面４０で入り、そこにおいて、光ファイバｆ１が、光をＣＯＧ３９へ放出するため用いられ、一方、光ファイバｆ２−ｆ７が、光学エンコーダ・システムにより戻された光を受け取るため用いられる。光ファイバｆ１−ｆ７の束が、図１及び図６から図９の実施形態のような光学エンコーダ・アセンブリに適用されるとき図５に示されるビーム分割技術に有利に取って代わる。再び図１０を参照すると、光放出ファイバｆ１が、光源（図示せず）に結合され、一方、光受信ファイバｆ２−ｆ７が、これも図示されない光センサに結合される。この実施形態のため用いられる光ファイバの数、並びに光受信又は光放出のため用いられるファイバの数は、変わり得て、そして光ファイバは、２又はそれより多い束で構成され得る。
【００４６】
図１１において、静止光学ディスク３４に取って代わるように、図６に示される実施形態のような光学エンコーダ・アセンブリに適用される特別に設計されているＣＯＧ４０が示されている。図４において、ＣＯＧ４０の周辺壁のセクションのみが、線ＡとＡ１との間で水平に延在し且つ端部部分４０ａと端末周辺リム４１との間で垂直に延在するよう示されている。ＣＯＧ４０の端末周辺リム４１が、交互になっている放出／受け取りセクション４１ａと非放出／受け取りセクション４１ｂに分割されており、そこにおいて、放出／受け取りセクション４１ａは、回転型光学ディスク２に平行である端末表面４１ａ．１を有し、そして非放出セクション４１ｂは、回転型光学ディスク２を用いて角度を与える端末表面４１ｂ．１を有し、それにより非放出セクション４１ｂから出る光線が破線４２により示されるように偏向されそして失われる一方、放出セクション４１ａから出る光線は、破線４３により示されるように回転型光学ディスク２に到達する。暗い範囲４２ａ及び明るい範囲４２ｂが回転型光学ディスク２の交互になっている光吸収範囲及び透過性範囲のそれぞれを示すことが理解されるであろう。本発明のこの実施形態は、静止光学ディスクが排除され、そしてＣＯＧ４０の端末周辺リム４１が回転型光学ディスク２に一層近い位置に設置されることができるという有利を有する。その結果として、反射された光線の損失が減少し、効率が改善され、即ち、入射光線に対する反射光線の比が増大されることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、本発明に従ったエンコーダ・アセンブリの一実施形態の中央断面図を示す。
【図２】図２は、円筒形光導波路の斜視図、及び光線の経路を示す。
【図３】図３は、回転型光学ディスクを示す。
【図４】図４は、パターン形成されたミラーを示す。
【図５】図５は、光ビームがエンコーダに入力し、そしてエンコーダにより戻される光ビームがビーム・スプリッタにより分離される一実施形態を示す。
【図６】図６は、回転型光学ディスクと円筒形光導波路との間に配置された静止光学ディスクが第１の実施形態のミラー上のパターンに取って代わる第２の実施形態の中央断面図を示す。
【図７】図７は、回転型光学ディスクとミラーとの間に配置された静止光学ディスクがパターンを第１の実施形態のミラー上に置く第３の実施形態の中央断面図を示す。
【図８】図８は、ミラーが回転型光学ディスクの背面に直接取り付けられている、図６のエンコーダ・アセンブリの別の実施形態を示す。
【図９】図９は、「コーナ反射器表面」がミラーに取って変わる別の実施形態の中央断面図を示す。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に従った、光学エンコーダ・アセンブリに適用されるべき光ファイバの束を示す。
【図１１】図１１は、固定の光学ディスクが、特別設計の円筒形光導波路端末周辺リムにより取り替えられている、図６におけるような実施形態の中央断面図を示す。
【図１】
2006515426.tif 000003
【図２】
2006515426.tif 000004
【図３】
2006515426.tif 000005
【図４】
2006515426.tif 000006
【図５】
2006515426.tif 000007
【図６】
2006515426.tif 000008
【図７】
2006515426.tif 000009
【図８】
2006515426.tif 000010
【図９】
2006515426.tif 000011
【図１０】
2006515426.tif 000012
【図１１】
2006515426.tif 000013
【国際調査報告】
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2006515426.tif 000015
2006515426.tif 000016
2006515426.tif 000017
2006515426.tif 000018
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