(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の測定方向に沿って移動する物体の位置情報を提供する光学エンコーダにおいて、この光学エンコーダは：
光を放出する光源；
この光源に対して相対運動する物体に装着されたデータトラック；
このデータトラックから変調された光を受信して、この受信した光から位置信号を生成する検出システムから構成され、
光を受信するこのデータトラックは、特定の分解能の異なる光学特性の交互する複数の領域から構成され、
この検出システムは：
このデータトラックからこの変調された光を受信するフォトダイオードアレイ；
このフォトダイオードアレイに接続された分解能選択ユニットから構成され、この分解能選択ユニットは、このフォトダイオードアレイの分解能を制御して選択し、この場合、このフォトダイオードアレイに関連する全てのフォトダイオードが、この分解能選択ユニットによって選択される分解能に関係なく起動する。
【請求項２】
分解能選択ユニットは、出力信号を生成するフォトダイオードアレイのフォトダイオードに対応する検出領域の有効な大きさを制御することによって分解能を制御する請求項１に記載の光学エンコーダ。
【請求項３】
分解能選択ユニットは、フォトダイオードアレイ内のフォトダイオードの複数のグループを規定する請求項１に記載の光学エンコーダ。
【請求項４】
フォトダイオードのグループは、単一のフォトダイオードから構成される請求項３に記載の光学エンコーダ。
【請求項５】
フォトダイオードのグループは、少なくとも２つの隣合ったフォトダイオードから構成される請求項３に記載の光学エンコーダ。
【請求項６】
フォトダイオードのグループは、少なくとも４つの隣合ったフォトダイオードから構成される請求項３に記載の光学エンコーダ。
【請求項７】
フォトダイオードのグループのうちの１つのグループが、第１出力信号の第１位相に対応し、これらのグループのうちの第２グループが、第２出力信号の第２位相に対応する請求項３に記載の光学エンコーダ。
【請求項８】
フォトダイオードのグループのうちの１つのグループは、第１出力信号の第１位相に対応し、これらのグループの第２グループは、第２出力信号の第２位相に対応し、これらのグループの第３グループは、第３出力信号の第３位相に対応し、これらのグループの第４グループは、第４出力信号の第４位相に対応する請求項４に記載の光学エンコーダ。
【請求項９】
フォトダイオードのグループのうちの１つのグループは、第１出力信号の第１位相に対応し、これらのグループの第２グループは、第２出力信号の第２位相に対応し、これらのグループの第３グループは、第３出力信号の第３位相に対応し、これらのグループの第４グループは、第４出力信号の第４位相に対応する請求項４に記載の光学エンコーダ。
【請求項１０】
フォトダイオードのグループのうちの１つのグループは、第１出力信号の第１位相に対応し、これらのグループの第２グループは、第２出力信号の第２位相に対応し、これらのグループの第３グループは、第３出力信号の第３位相に対応し、これらのグループの第４グループは、第４出力信号の第４位相に対応する請求項５に記載の光学エンコーダ。
【請求項１１】
フォトダイオードのグループのうちの１つのグループは、第１出力信号の第１位相に対応し、これらのグループの第２グループは、第２出力信号の第２位相に対応し、これらのグループの第３グループは、第３出力信号の第３位相に対応し、これらのグループの第４グループは、第４出力信号の第４位相に対応する請求項６に記載の光学エンコーダ。
【請求項１２】
検出システムは、スイッチング信号線をさらに有し、このスイッチング信号線は、複数のスイッチを介して分解能選択ユニットに接続されていて、これらのスイッチは、フォトダイオードアレイからの出力を複数の出力線に接続し、この場合、各出力線は、それに関連して特定の位相遅れを有する請求項１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１３】
分解能選択ユニットによって制御されるフォトダイオードの分解能は、データトラックの特定の分解能に対応する請求項１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１４】
検出システムは、インデックス・フォトダイオードアレイをさらに有し、このインデックス・フォトダイオードアレイは、データトラックから光を受信し、インデックス信号を生成し；
分解能選択ユニットが、このインデックス・フォトダイオードアレイに接続されていて、この分解能選択ユニットは、このインデックス信号のコントラストを制御し、この場合、このインデックス・フォトダイオードアレイに関連する全てのフォトダイオードが、この分解能選択ユニットによって選択される分解能に関係なく起動する請求項１に記載の光学エンコーダ。
【請求項１５】
データトラックから光を受信して、第２インデックス信号を生成する第２フォトダイオードアレイをさらに有する請求項１４に記載の光学エンコーダ。
【請求項１６】
分解能選択ユニットは、インデックス・フォトダイオードアレイ内の複数のフォトダイオードを選択的に起動させて、インデックス信号を最適化させる請求項１４に記載の光学エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な光学的な分解能に対して使用されるフォトダイオード・センサに関する。特に、本発明は、様々な分解能に対して使用される光学エンコーダ用のフォトセンサアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの可動物体間の相対位置を測定する光学エンコーダが周知である。回転運動方向に沿って相対位置を測定することが可能であるのと同様に、直線運動方向に沿って相対位置を測定することが可能である。このシステムでは、一方の物体が多くの場合に走査目盛に連結されている一方で、他方の物体は走査ユニットに連結されている。リニアエンコーダの場合には直線目盛付きのリニアスケールが使用される一方で、ロータリーエンコーダの場合には円目盛付きのコードディスクが使用される。直線運動又は回転運動に対して使用される走査ユニットは、１つ以上の光源及び１つ以上の光電式検出素子を有する。例えば、フォトダイオードが、検出素子として多くの場合に使用される。
【０００３】
近年、検出素子としての多数のフォトダイオードを互いに組合わせたリニアエンコーダとロータリーエンコーダが益々一般になってきている。このような検出配置は、時には位相アレイ(phased array)とも呼ばれる。このようなエンコーダと検出器は、米国特許発明第6,175,109 号明細書中に記されている。この全体の内容は、本明細書中では引用例によって記されている。
【０００４】
上述した検出器の配置の実施の形態では、複数のフォトダイオードが半導体チップ上でアレイ状に配置されている。これらのフォトダイオードの配置は、固有の方法でエンコーダの構成ごとに注文／設計されなければならない。このことは、フォトダイオードの幅や間隔のようなフォトダイオードに要求される幾何学的な配置が、走査配置、特に走査される走査目盛の目盛周期に依存することを意味する。或る特定の測定分解能に対して、フォトダイオードの良好に規定された配置が存在する。したがって、走査配置又はエンコーダの分解能を変更する必要がある場合は、フォトダイオードの配置を変更して、所望の走査配置又は分解能にする必要がある。この場合、多大な設計作業が、このフォトダイオードアレイのレイアウトを変更するために必要である。
【０００５】
この問題を解決するため、ヨーロッパ特許発明第0 710 819 号明細書は、異なる目盛周期を呈する幾つかの異なる走査目盛用の複数のフォトダイオードを有する単一のフォトダイオード・アセンブリーを使用することを提唱する。この目的のために、入手可能なフォトダイオードのうちの或る特定の数のフォトダイオードだけが、走査目盛に応じて起動されなければならない。フォトダイオードのうちのどのフォトダイオードが、或る特定の走査目盛に対して起動されなければならないのかをその都度決定するために、適合処理が必要である。複雑なＡＳＩＣをこの適合処理を制御するために要する点が、このシステムの主要な欠点である。システムの起動位相(adaptation phase)が特別なツーリング・ ディスク(tooling discs) を必要とする点がもう１つの欠点である。さらに、大きなメモリ空間と関連する回路が、キャリア基板上に必要である。このキャリア基板は、システムの可能な小型化に反する。
【０００６】
ヨーロッパ特許発明第0 710 819 号明細書中に記載のシステムのもう１つの欠点は、絶対位置を測定するシステムのインデックス・ センサである。特に、インデックス・ センサのパターンに一致する開口部のパターンを有するディスクが、光をこれらのインデックス・ センサに通過させることを可能にする。この光は、１回転当り一点だけでインデックス・ センサを照射する。インデックス・ センサの一部が照射されているときの信号は、インデックス・ センサの全体が同時に照射されているときよりも著しく小さい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、検出器アレイを所望の小型の大きさにすることが可能である一方で、この検出器アレイの分解能を容易に変更することにある。
【０００８】
本発明のもう１つの課題は、適合位相を使用することなしに検出器アレイの分解能を変更することにある。
【０００９】
本発明のもう１つの課題は、多重分解能において検出器アレイによって生成される絶対位置信号と相対位置信号の強度を向上させることにある。
【００１０】
本発明の第１の側面は、或る特定の測定方向に沿って移動する物体の位置情報を提供する光学エンコーダに関する。このエンコーダは、光を放出する光源、及びこの光源に対して相対運動する物体に付されたデータトラックを有する。このデータトラックは、光を受け、かつ特定の分解能の異なる光学特性を呈する複数の可変領域を有する。検出システムが、データトラックから変調された光を受けて、その受けた光から位置信号を生成する。この検出システムは、データトラックから変調された光を受けるフォトダイオードアレイ、及びこのフォトダイオードアレイに接続された分解能選択ユニットを有する。この分解能選択ユニットは、フォトダイオードアレイの分解能を制御する。この場合、フォトダイオードアレイに関連する全てのフォトダイオードが、分解能選択ユニットによって選択された分解能に関係なく起動している。
【００１１】
本発明の第２の側面は、或る特定の測定方向に沿って移動する物体の位置情報を提供する光学エンコーダの分解能を制御する方法に関する。この場合、光学エンコーダは、光を放射する光源、及びこの光源に対して相対運動するデータトラックを有する。
【００１２】
本発明の第３の側面は、物体の位置情報を提供する光学エンコーダに関する。この光学エンコーダは、光を放出する光源、及びこの光源に対して相対運動する物体に装着されたデータトラックを有する。データトラックは、光を受信し、かつ特定の分解能の異なる光学特性の交互になっている領域を有する。検出装置が、データトラックから光を受信して、この受信した光からインデックス信号を生成する。検出システムは、データトラックから光を受信してインデックス信号を生成するインデックス・フォトダイオードアレイ、及びこのインデックス・フォトダイオードアレイに接続された分解能選択ユニットを有する。この分解能選択ユニットは、インデックス信号を制御する。
【００１３】
本発明の第４の側面は、所定の測定方向に沿って運動する物体の位置情報を提供する光学エンコーダのインデックス信号を制御する方法に関する。この場合、光学エンコーダは、光を放射する光源、及びこの光源に対して相対運動しかつ与えられた分解能を呈するデータトラックを有する。この方法は、インデックス・フォトダイオードアレイのフォトダイオードの配置を変更することなしに、データトラックからインデックス・フォトダイオードアレイの複数のフォトダイオードへの光を検出し、インデックス・フォトダイオードアレイの１つ以上のフォトダイオードの活性状態を変えて、インデックス信号を生成する。
【００１４】
本発明の各側面は、検出器アレイの分解能を容易に変更する一方で、検出器アレイを適切に小型の大きさにすることが可能である。
【００１５】
本発明の各側面は、特定の分解能に対するアレイ内で活性化すべきフォトダイオードを決定するための適合位相を要求しない利点を提供する。起動位相が不要であることは、ヨーロッパ特許発明第0 710 819 号明細書中に記されたシステムに対して必要であるような特別なツーリング・ディスクが要求されないという利点をさらに提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、これらの事項及び本発明のその他の特徴と利点を図面に基づいて詳しく説明する。
【００１７】
図１は、本発明の好適な実施例の光学エンコーダの断面を概略的に示す。特に、示された光学エンコーダは、回転している２つの物体の運動に関する位置情報を生成するロータリーエンコーダ１００である。ロータリーエンコーダ１００は、例えばブラシレス・モータを伴う用途で使用され得る。
【００１８】
光学エンコーダ１００は、図１−３，５，６，８，９，１１中に示されたようにシングルデータトラック１０４を有するコード歯車１０２を含む。このコード歯車１０２は、軸線の周りで回転するシャフト（図示せず）上に設置されていて、かつ測定方向に沿って運動／回転する。回転シャフトは、ブラシレスＤＣモータの回転子でもよい。さらに、光学エンコーダ１００は、データトラック１０４を光電式に走査する走査ユニット１０６を有する。図１中に示したように、走査ユニット１０６は、光源１１０及びレンズ１１２、好ましくは集光レンズ又は集束レンズを有する。機構的な構造の細部は当業者にとって周知であるので、エンコーダ１００の構造は、概略的にしか示されていない。
【００１９】
図１，２中に示したように、光源１１０によって放出された光１１４は、集光レンズ１１２によって平行にされ、光源１１０に対して回転するコード歯車１０２のデータトラック１０４を通じて伝送される。回転しているデータトラック１０４によって変調された光１１６は、検出システム１２０の光検出器アレイ１１８によって受信される。検出された信号が、図１，２中に示されていない評価ユニット内で処理される。
【００２０】
図１−３，５，６，８，９，１１中に示したように、データトラック１０４は、交互になっている透明なバー１２２と不透明なバー１２４のような、異なる光学特性の交互になっている領域の増分式のパターンを有する。光学エンコーダ１００が入射光データトラックを使用するために構成されている場合には、このデータトラックを高反射度と低反射度が交互になっている領域で構成することが可能である。さらに、光検出器アレイ１１８は、１つの増分式フォトダイオードアレイ１２６と２つのインデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０から構成される。フォトダイオードアレイ１２６，１２８，１３０はそれぞれ、複数のフォトダイオード１３２，１３４，１３６を有する。これらのフォトダイオード１３２，１３４，１３６は、オプト・ＡＳＩＣ半導体チップ１３８上に分離したアレイで配置されている。このオプト・ＡＳＩＣ半導体チップ１３８は、ＰＣボード１３９上に搭載されている。
【００２１】
図３−１１中に示したように、増分式フォトダイオードアレイ１２６は、96個のフォトダイオード１３２を有する。この場合、隣合ったフォトダイオードは、互いに等角に配置されている。そして、グループとしてのこれらのフォトダイオードが、約9.2 °の角度、例えば9.22°の角度の範囲を定める。その結果、個々のフォトダイオードは、1012のような所望の最大分解能に相当するピッチを有する。隣合ったフォトダイオード１３２間の直線的な間隔は、一定である。隣合ったフォトダイオード１３２間の最小間隔は、フォトダイオードの最大幅を制限する成形プロセス設計規則に起因して約５μm である。４個のフォトダイオードのセット又はグループの各々は、コードディスクパターンの１つの格子周期内に配置されている。各セット内の隣合ったフォトダイオードは、相関的に配置されている。その結果、隣合ったフォトダイオードの出力信号間に90°の位相遅れをもたらす。したがって、４個の隣合ったフォトダイオードは、０°，90°，180 °，270 °の相対位相を有する。これらの位相の異なる信号は、図３，５，６，８，９，１１中ではＡ！，Ｂ，Ａ，Ｂ！と記されている。
【００２２】
増分式フォトダイオードアレイ１２６は、１６本の導線１４０を有する。これらの導線１４０は、フォトダイオード１３２及び３つの増分式データ分解能選択ユニット１４４，１４６，１４８から延びている導線１４２に内部接続されている。図３，４，６，７，９，１０中に示したように、各増分式データ分解能選択ユニット１４４，１４６，１４８は、16本の導線１５０を有する。これらの導線１５０は、16本の導線１４０のグループに接続され、かつ４本の出力信号線１５２に接続されている。
【００２３】
各増分式データ分解能選択ユニット１４４，１４６，１４８はそれぞれ、スイッチング信号線１５４，１５６，１５８を有する。スイッチング信号線１５４，１５６，１５８は、１６本の半導体スイッチ１６０を介してこれらのスイッチング信号線に対応する増分式データ分解能選択ユニットに関連する導線１５０に選択的に接続される。半導体スイッチ１６０の各々は、常に導通状態か又は非導通状態である。半導体スイッチ１６０は、16本の導線１４０を４本の出力信号線１５２に異なる組合わせで接続するために使用される。出力信号線１５２の各々は、位相の異なる増分走査信号Ａ，Ｂ，Ａ！，Ｂ！を出力する。これらの上述したスイッチが半導体スイッチである一方で、メタルリンクを含むスイッチのようにその他のスイッチが可能である。
【００２４】
図３，５，６，８，９，１１，１２Ａ中に示したように、インデックス・フォトダイオードアレイ１２８とこのインデックス・フォトダイオードアレイ１２８に関連したフォトダイオード１３４が、第１インデックス信号Ｚを生成する。そして、インデックスフォトダイオードアレイ１３０とこのインデックスフォトダイオードアレイ１３０の14本のフォトダイオード１３６が、第２インデックス信号Ｚ！を生成する。インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０の個々のフォトダイオードが、同一の信号によって許可される。この同一の信号は、フォトダイオードアレイ１２６の個々のフォトダイオード１３０を許可する。これらの個々のフォトダイオード１３０が、起動して所望のエンコーダ分解能を実現する。
【００２５】
エンコーダが完全に回転すると、インデックス信号ＺとＺ！が特別なパターンを出力する。特に、インデックス信号Ｚ，Ｚ！が、電気的に比較され処理されて、エンコーダ１００の１回転ごとに１つの出力パルスを出力する。このエンコーダ１００は、エンコーダのその他の全ての信号の位置を絶対的に突き止める。
【００２６】
ので、インデックス信号Ｚ，Ｚ！は、完全に差動である。Ｚ！信号用のコードディスクパターンは、どの部分も不透明な領域を有する。Ｚ信号用のコードディスクパターンは、反対に開口部を有する。このような差動特性は、コモンモードノイズを除去する。インデックス信号Ｚ，Ｚ！は、絶対情報を決定するために使用される。この特有なパターンは、特別な光学パターンによって生成される。単一光学サイクルと何時でも存在する「バックグラウンド」信号との間に最大コントラストを有するパルスを実現するため、この特別な光学パターンは最適化される。この定義は、この光学サイクルに依存する。本発明にしたがって検出すべき分解能の選択に柔軟性をもたせるためには、選択する分解能に基づいてインデックス信号を変更することが必要である。その結果、いろいろに最適化されたパターンが、各分解能に対して使用され得る。したがって、検出されるべき特有のパターンが出力信号を要求するかどうかに応じて、アレイ１２８，１３６の検出器からの信号が、この出力信号に送られる。
【００２７】
インデックス・フォトダイオードアレイ１２８の14本のフォトダイオード１３６が配置されている。その結果、これらのフォトダイオード１３６が、データトラック１０４内の対応する開口部又はバー１２２を通じて十分に照射されるときに、単一の大きなインデックスパルスが生成されるか又は形成される。同様に、インデックス・フォトダイオードアレイ１３０のフォトダイオード１３４が配置されている。その結果、これらのフォトダイオード１３４が、データトラック１０４内の対応する開口部又はバー１２２を通じて十分に照射されるときに、単一の大きなインデックスパルスが生成されるか又は形成される。インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０によって受信された光は変調されない。インデックス信号間の良好なコントラストが、分解能の範囲に対して実現されるように、インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０の角度幅が選択されている。フォトダイオード１３４，１３６の各々が、約 68 μm の幅を有する。非伝導性の材料が、隣接するフォトダイオード１３４とフォトダイオード１３６との間に存在する。その結果、これらの隣接するフォトダイオードは、約5.8 μm の間隔である。インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０の各々は、1012のような希望する最高の分解能の１つのデータ領域（360 °e ）に一致するピッチで配置されている。フォトダイオード１３４，１３６は、フォトダイオード１３２のピッチの４倍に等しい放射状のピッチを有する。コードディスク上でいろいろに走査される構造のために、様々なインデックス信号波形Ｚ，Ｚ！が発生する。複数の異なる分解能を有するコードディスクが使用可能であるために、14本のフォトダイオード１３４と14本のフォトダイオード１３６を選択的に作動させて、固有のコードディスク１０２に対して最も鮮明なインデックスパルスを実現する。しかしながら、これらの信号を発生させる一般的な原理は、両インデックス信号フォトダイオードアレイ１２８，１３０に対して共通である。
【００２８】
図１−１３Ａ−Ｂ中に示したような角度光学エンコーダでは、フォトダイオードアレイ１２６，１２８，１３０が共通の１本の軸を有する必要がある。これらのフォトダイオードアレイ１２６，１２８，１３０間の角度関係は、特別な値である必要はないが、一定で既知の値でなければならない。
【００２９】
インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０と増分式フォトダイオードアレイとの間の必然的な関係では、個々のインデックスアレイ素子１３４，１３６の半径方向のピッチが、増分式アレイ素子１３２のピッチの４倍であるか又は１データサイクルの幅である。全ての可能なエンコーダの分解能に対するインデックスアレイのパターンは、インデックス検出素子１３４，１３６の同じアレイから作る必要があるので、各分解能は、入手可能な検出素子から最大の単一信号を得るために異なる組合わせを要求する。
【００３０】
図１３Ａ中に概略的に示したように、増分式フォトダイオードアレイ１２６からの信号Ａ，Ａ！，Ｂ，Ｂ！は、インピーダンス変換増幅器２００によって増幅される。そして、相補信号Ａ，Ａ！及びＢ，Ｂ！が、比較器２０１を介して互いに比較される。同様に、インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０によって生成された信号Ｚ，Ｚ！が、インピーダンス変換増幅器２０２によって増幅され比較器２０３によって比較される。そして、比較器２０１，２０３からの信号が、データ処理素子２０４に入力される。検出された周波数１Ｘ，２Ｘ，４Ｘ，８Ｘに対して出力するため、このデータ処理素子２０４は、位相同期された16個のアナログ電圧信号から適切に位相同期された全ての16個の出力信号２０６を出力する。出力信号２０６は、デジタル論理部２１４に対して出力される。（選択された分解能にかかわらず）互いに 90 °ずれた４つの基本信号を組合わせることによって高周波信号を生成するため、このデジタル論理部２１４は、これらの出力信号２０６と補間部２１６からのプログラミングされた補間選択(interpolation choices) とを結合する。図１３Ａ中に示したように、幾つかの出力信号が、チップ１３８から発生する。例えば、デジタル 50 ％デューティサイクルの２つのデータパルス２１８，２２０が、90°ずれて出力される。さらに、信号ＡＢ又はＡ！Ｂ！で出力される単一のデジタルインデックス・パルスが生成される。試験と評価の目的のため、デジタル出力，アナログ試験モード１及びアナログ試験モード２のような３つのプログラミングが、／によって分離された出力に関するラベルで示したように出力端子２３０，２３２，２３４で可能である。
【００３１】
アレイ１２６，１２８，１３０の分解能の選択は、電子光学におけるその他の多くの選択可能なオプションと同様にシリアル試験及びプログラミングインターフェース２１２，１３８を通じて実行される。
【００３２】
図１３Ｂ中に示した単一終端通信部２２４は、全ての分解能に対して同じである。通信部２２４は、位相が電気的にそれぞれ 120°ずれた３つの信号を生成する。これらの３つの信号は、一般にインデックス信号の立上がりエッジに対して参照され、エンコーダが搭載されているモータ（のブラシの軸）を心合わせするために使用される。擬似コモンモード基準信号を３つの単一終端通信信号間で得る方法は、米国特許発明第 5,936,236及び 6,175,109号明細書中に記されている。これらの全ての内容は、ここでは引用によって記されている。コモンモード基準信号を生成する上述した方法は、ＣＭＯＳ技術を使用して実施され得る。
【００３３】
フォトダイオードアレイ１２６，１２８，１３０の上述した説明を踏まえて、以下に同一のフォトダイオードアレイ１２６，１２８，１３０を使用しながら分解能を変更する能力を説明する。特に好ましくは、インデックス・信号フォトダイオード１３４，１３６の一定の数と配置が常に存在する。上述した説明と以下のＮ個の手段の分解能では、走査されるデータトラック１０４の完全な円周が、全部でＮ本の交互する透明なバー１２２と不透明なバー１２４とを有する。
【００３４】
データトラックが 1012 の分解能を有するときに 1012 の分解能を実現する場合は、増分式データ分解能選択ユニット１４４が、ＡＳＩＣ半導体チップ１３８の分解能選択論理によって生成される起動信号を介して起動され、スイッチング信号線１５４に沿って送信する。起動信号を受取ると、増分式データ分解の選択ユニット１４４が、個のユニット１４４の半導体スイッチ１６０を開閉する。その結果、16本の導線１４０の特定の組合わせが、４本の出力信号線１５２に接続される。1012の分解能を実現する場合は、増分式データ分解能選択ユニット１４４がフォトダイオード１３２をグループにする。その結果、連続して隣合ったフォトダイオードが、４本ずつ１つのグループに形成される。図３，４中に示したように、４個のフォトダイオードから成る各グループが、出力信号線１５２に接続されている。その結果、グループの最初のフォトダイオードからの信号は、Ａ！出力信号線１５２に送られ、このグループの２番目のフォトダイオードからの信号は、Ｂ出力信号線１５２に送られ、このグループの３番目のフォトダイオードからの信号は、Ａｎ出力信号線１５２に送られ、このグループの４番目のフォトダイオードからの信号は、Ｂ！出力信号線１５２に送られる。図３，４中に示したように、このような接続の結果、多数のフォトダイオード１３２が、１つのフォトダイオードのグループとして作用する各々の４番目のフォトダイオード１３２とインターデジタルされ、単一出力信号線１５２に接続される。
【００３５】
さらに、インデックス分解能選択ユニット１５３が、インデックス・フォトダイオードアレイ１２８、１３０のフォトダイオードのうちの特定のフォトダイオードを特定の分解能に対して選択する。この場合、全てのフォトダイオードが、選択時に起動している。このような選択は、スイッチング信号線１５４とスイッチ１６０′を介して実行される。起動しているフォトダイオード１，１４，１５は、全ての分解能に対してスイッチング信号線１５４，１５６，１５８に常に接続されている。残りの起動しているフォトダイオードに関しては、フォトダイオード２，１２が、スイッチング信号線１５６，１５８に接続された２本の分離した線とスイッチ１６０′を有する。フォトダイオード３，８，１０は、スイッチング信号線１５４，１５８に接続された分離した線とスイッチ１６０′を有する。フォトダイオード４は、スイッチ１６０を介してスイッチング信号線１５４に接続されている。フォトダイオード５，６，１１は、スイッチ１６０′を介してスイッチング信号線１５６に接続されている。そして、フォトダイオード９は、スイッチ１６０′を介してスイッチング信号線１５８に接続されている。分解能 1012 が希望されると、インデックス選択ユニット１５３が、スイッチング信号線１５４を介して特定のスイッチ１６０′を起動させる。その結果、図３，５，１２Ｂ中に示したように、インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０のフォトダイオードＮｏ．１，３，４，９，１０，１３，１４だけが選択される。スイッチング信号線１５４とスイッチ１６０′は、シリアルインターフェースを通じた外部的なコード供給を介して、特定の分解能に対してプログラミングされる。フォトダイオードアレイ１２８，１３０の分解能は、増分式フォトダイオードアレイ１２６の分解能を選択する同じコード化されたプログラミング信号によって同時に選択される。
【００３６】
特定の分解能に対するインデックス・フォトダイオードアレイ中の分解能選択ユニット１５３を介して起動されるフォトダイオードは、特定の分解能に対するインデックス信号を最適化するフォトダイオードの組合わせを決定することによって決定される。換言すると、フォトダイオードは、特定の分解能に対してすぐ隣の最も小さい信号に対する大きな中心の信号の最も大きな比を与えるために選択される。適合するディスクパターンがフォトダイオードの上を通過するときに、これらのフォトダイオードの組合わせを比較し、最適な比の組合わせを選択するように、コンピュータプログラムが準備され得る。
【００３７】
分解能が 1012 の場合は、図５中に示したように、1012カウントディスクが 14 個のフォトダイオードの上を通過する。できうる全ての組合わせを試験した後に、Ｎｏ．１，３，４，８，１０，１３，１４の７個のフォトダイオードが起動するときに、最適な比が決定される。ディスクパターンとセンサーパターンとが重畳するときに、この組合わせは、７つのフォトダイオードからの中心信号になる。ディスクが中心位置に近づいて離れると、２つのダイオードとディスクパターンの最大が一致する。この結果は、信号対非信号の比７：２である。この差は、７個のダイオードの強度ではなくて、電子機器が単一データサイクルの所望の幅を有する中心信号だけを処理することを可能にする。
【００３８】
506 の分解能の場合は、データサイクルが1024の個別のフォトダイオードの幅の２倍である。このデータサイクルの長さを補償するため、14個の個別のフォトダイオードの隣合ったフォトダイオードが対のグループにされる。グループにしたフォトダイオードの各対は、506 の分解能用の単一のフォトダイオードとして扱われる。したがって、最適なインデックス信号が、このような対の／グループの７個のフォトダイオードに対して決定されなければならない。最適な信号対非信号の比が、フォトダイオードの４つのグループ１＆２，５＆６，１１＆１２，１３＆１４の 506分解能の構成の選択になる。この結果は、信号対非信号の比４：１である。
【００３９】
253 の分解能の場合は、データサイクルが 1024 の個別のフォトダイオードの幅の４倍である。しかしながら、14本の個別のフォトダイオードのアレイは、3.5 253 分解能サイクル幅だけである。互いに隣合った検出器を3.5 にグループ化することは不可能であるので、隣合った検出器をグループ化することによって妥協している。その結果、253 分解能の検出器は、253 分解能のピッチで離れている一方で、３つの 253分解能のサイクル幅である。その結果、４個の仮想フォトダイオードから成る４つのグループが形成される。この場合、個々の仮想フォトダイオードの幅は、実際のフォトダイオードの幅の3/4 に等しい。４つのグループのうちの３つが選択されるときに、最適なインデックス信号が、上述した構成に基づいて見つけられる。これらの３つのグループは、フォトダイオード１，２＆３；８；９＆１０；１２，１３＆１４に一致する。結果は、信号対非信号の比３：１である。
【００４０】
分解能は、分解能 1012,506,253 のうちの任意の１つからその他の分解能のうちのどれにへも変更できる。例えば、その他のコード歯車１０２が使用されたり、又はコード歯車１０２に対してその他の分解能が使用されるときに、その他の分解能が、増分式フォトダイオードアレイ１２６に対して可能である。このような分解能は、対応する増分式データ分解能選択ユニットの半導体スイッチ１６０を起動させ、これらのスイッチ全てを通電状態にすることによって必要な分解能を選択するだけで実現される。したがって、分解能が、フォトダイオードアレイ１２６のフォトダイオードの配置を変更することなしに変えられる。半導体スイッチ１６０は、分解能選択論理によって起動される。この分解能選択論理は、既に説明した同じオプト・ＡＳＩＣ半導体チップ１３８中で実行される。
【００４１】
フォトダイオードアレイ１２６の分解能を変更する例が、図６−８中に示されている。この例では、506 の分解能が、分解能スイッチング信号線１５６に沿って起動信号を送ることによって起動される。このスイッチング信号線１５６は、増分式データ分解能選択ユニット１４６がこのユニット１４６の半導体スイッチ１６０を開閉させることを引き起こす。その結果、16本の導線１４０の特定の組合わせが、４本の出力信号線１５２に接続される。特に、増分式データ分解能選択ユニット１４６が、フォトダイオードアレイ１２６内のフォトダイオード１３２のグループを規定する。その結果、連続して隣合った８個のフォトダイオードの各々が１つのグループに形成される。したがって、８個のフォトダイオードから成る12のグループが形成される。図７中に示したように、８個のフォトダイオードから成る各グループが、出力信号線１５２に接続されている。その結果、グループの最初の２つのフォトダイオードからの信号は、Ａ！出力信号線１５２に送られ、このグループの２番目のフォトダイオード対からの信号は、Ｂ出力信号線１５２に送られ、このグループの３番目のフォトダイオード対からの信号は、Ａ出力信号線１５２に送られ、そしてこのグループの４番目のフォトダイオード対からの信号は、Ｂ！出力信号線１５２に送られる。本質的に、フォトダイオードを対にすると、出力信号Ａ！，Ａ，Ｂ！，Ｂを生成するフォトダイオードに対応する検出領域の有効な大きさが、２倍増大する。したがって、アレイの分解能が２倍増大する。さらに、図６，８，１２Ｃ中に示したように、インデックス・アレイ１２８，１３０のフォトダイオードＮｏ．１，２，５，６，１１−１４だけが、分解能スイッチング信号線１５６を介してインデックス分解能選択ユニットによって選択される。
【００４２】
もう１つの例では、253 の分解能が、分解能スイッチング信号線１５８に沿って起動信号を送ることによって起動される。このスイッチング信号線１５８は、増分式データ分解能選択ユニット１４８がこのユニット１４８の半導体スイッチ１６０を開閉させることを引き起こす．その結果、16本の導線１４０の特定の組合わせが、４本の出力信号線１５２に接続される。特に、増分式データ分解能選択ユニット１４８が、フォトダイオードアレイ１２６内のフォトダイオード１３２のグループを規定する。その結果、連続して隣合った 16 個のフォトダイオードの各々が、１つのグループに形成される。したがって、16本のフォトダイオードから成る６つのグループが形成される。図９，１０中に示したように、16個のフォトダイオードから成る各グループは、出力信号線１５２に接続されている。その結果、グループの最初の４つのフォトダイオードからの信号は、Ａ！出力信号線１５２に送られ、このグループの２番目の４つのフォトダイオードからの信号は、Ｂ出力信号線１５２に送られ、このグループの３番目の４つのフォトダイオードからの信号は、Ａ出力信号線１５２に送られ、そしてこのグループの４番目の４つのフォトダイオードからの信号は、Ｂ！出力信号線１５２に送られる。さらに、インデックス・フォトダイオードアレイ１２８，１３０のフォトダイオードＮｏ．１−３，８−１０，１２−１４だけが、インデックス分解能選択ユニット１５３を介してスイッチング信号線１５８とスイッチ１６０′を切替えることによって選択される。
【００４３】
上述した例が増分式フォトダイオードアレイ１２６の分解能を変更することを実証する一方で、適切な分解能を有するインデックス信号を生成する入手可能なインデックス・フォトダイオード１３４，１３６の適切な組合わせを選択することも可能である。
【００４４】
上述した例では、506, 253の低い分解能が、フォトダイオード１３２を２倍にグループ化することによって発生する。当然に、フォトダイオード１３２を整数Ｎでグループを形成することによって図１−１３Ａ−Ｂの例に関して上述した同じ原理を使用すると、その他の分解能が可能である。ここで、Ｎ＝３，４，５，…, 等である。
【００４５】
上述した例の利点は、４つの出力信号Ａ, Ａ！, Ｂ, Ｂ！の各々に接続されたフォトダイオードの総数が、光学エンコーダ１００に対して選択された分解能に関係なく一定である点である。さらに、全てのフォトダイオード１３２が、光学エンコーダ１００によって選択された各分解能に対して使用される。このことは、ヨーロッパ特許発明第 0 710 819号明細書中に記されたアレイ素子が適合位相に基づいて起動されるシステムとは対照的である。この適合位相では、フォトセルアセンブリーが走査され、フォトセルアセンブリーの出力が評価される。既に説明した例では、全部で 96 個のフォトダイオード１３２が使用されるときに、４つの出力信号の各々が、それに関連する24個のフォトダイオードを有する。どんな分解能に対しても信号当たりのフォトダイオードの数を一定に維持すれば、信号の後の処理を改善させる。
【００４６】
さらに上述した光学エンコーダ１００では、分解能の切替が、制御機構を使用することによって光学エンコーダ１００の操作中に実施される。製造中のいつでも１回の決定として分解能を切替えることも可能である。切替モードに関係なく、本発明のこの例では、スイッチを通過する信号は速く作動し、スイッチ操作の速さは遅い。
【００４７】
説明した本発明の形態は、好適な実施の形態であり、部品の形, 大きさ及び配置におけるいろいろな変更が、本発明の概念又は特許請求の範囲から離れることなしに許される。例えば、本発明は、ロータリーエンコーダに限定されない。直線状に配置されたデータトラックを有するリニアエンコーダに適用することも可能である。４つよりも大きいグループのように隣合ったフォトダイオードをいろいろにグループ化すれば、本発明はその他の分解能に対して適用できる。さらに、センサアレイは、オプト・ＡＳＩＣチップから分離された半導体チップの形態で実現してもよい。さらに、図１中に示した放たれる光の配置や図１８中に示した反射する光の配置のように、いろいろな光学原理が、本発明に基づいて実現され得る。
【００４８】
図１４, １５中に概略的に示した別の例では、既に説明したエンコーダ１００と同じ原理を有する磁器エンコーダ３００が設けられるように、図１−１３の光学エンコーダが変更されている。図１４−１７では、図１−１３中に示したのと類似の素子に対しては類似の番号を使用している。磁器エンコーダ３００では、光源が不要である。さらに、軸に設置されている回転可能なコード歯車３０２のデータトラック３０４が、異なる磁器特性を有する交互する領域を有する。検出器アレイ３１８, 増分式検出器アレイ３２６及びインデックス・検出器アレイ３２８, ３３０はそれぞれ、検出器アレイ１３２，１３４，１３６に類似する。この場合、フォトダイオード１３２，１３４，１３６は、磁場検出器３３２，３３４，３３６に交換してある。検出器アレイ３２６によって生成される信号が処理され、磁器エンコーダ３００の分解能が、半導体チップ３３８によって処理されて制御される。そして、回路は、図１３Ａ−Ｂ中に示した回路と類似している。
【００４９】
既に説明した反射する光の配置では、既に説明したエンコーダ１００と同じ原理を有する光学エンコーダ４００が設けられるように、図１−１３の光学エンコーダが変更されている。図１８では、図１−１３中に示したのと類似の素子に対しては類似の番号を使用している。光学エンコーダ４００では、走査ユニット１０６′が検出器アレイ１１８を有するように、光源１００が半導体チップ１３８に対して設置されている。さらに、コード歯車１０２が光源１１０と反射レンズ４０２との間に位置決めされるように、反射レンズ４０２が設置されている。したがって、光が検出器アレイ１１８，増分式検出器アレイ１２６及びインデックス・検出器アレイ１２８，１３０に到達するように、回転可能なコード歯車１０２を通過する光源１１０からの光が、反射レンズ４０２によって反射されてコード歯車１０２へ戻る。検出器アレイ１２６によって生成される信号が処理され、光学エンコーダ４００の分解能が、半導体チップ１３８によって処理されて制御される。そして、回路は、図１３Ａ−Ｂ中に示した回路と類似している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のフォトダイオードアレイを有するエンコーダの実施例の概略的な側面図である。
【図２】  図１のフォトダイオードアレイを有するエンコーダの拡大図である。
【図３】    1012の分解能と 1012 の分解能ディスク・パターンを提供するために構成されたときの図１のエンコーダ及びフォトダイオードアレイを概略的に示す。
【図４】図３のエンコーダ及びフォトダイオードアレイの伝送ゲートの概略的な拡大図である。
【図５】図３のエンコーダ及びフォトダイオードアレイのインデックス・フォトダイオード及び増分式フォトダイオードの概略的な拡大図である。
【図６】  506 の分解能と506 の分解能ディスク・パターンを提供するために構成されたときの図１のエンコーダ及びフォトダイオードアレイを概略的に示す。
【図７】図６のエンコーダ及びフォトダイオードアレイの伝送ゲートの概略的な拡大図である。
【図８】図６のエンコーダ及びフォトダイオードアレイのインデックス・フォトダイオード及び増分式フォトダイオードの概略的な拡大図である。
【図９】  253 の分解能と253 の分解能ディスク・パターンを提供するために構成されたときの図１のエンコーダ及びフォトダイオードアレイを概略的に示す。
【図１０】図１０のエンコーダ及びフォトダイオードアレイの伝送ゲートの概略的な拡大図である。
【図１１】図１０のエンコーダ及びフォトダイオードのインデックス・フォトダイオードの概略的な拡大図である。
【図１２】（Ａ）図１−１１のインデックスアレイの概略的な上面図である。
（Ｂ）1012,506及び 253のそれぞれの分解能ディスクパターンに対するインデックス信号を提供するために構成されたときの図１−１１のインデックスアレイの作動したフォトダイオードの概略的な上面図である。
（Ｃ）1012,506及び 253のそれぞれの分解能ディスクパターンに対するインデックス信号を提供するために構成されたときの図１−１１のインデックスアレイの作動したフォトダイオードの概略的な上面図である。
（Ｄ）1012,506及び 253のそれぞれの分解能ディスクパターンに対するインデックス信号を提供するために構成されたときの図１−１１のインデックスアレイの作動したフォトダイオードの概略的な上面図である。
【図１３】（Ａ）図１−１２，１４−１７のエンコーダで使用される処理電子回路の実施例を概略的に示す。
（Ｂ）図１−１２，１４−１７のエンコーダで使用される処理電子回路の実施例を概略的に示す。
【図１４】本発明の磁気エンコーダ及び検出器アレイの実施例の概略的な側面図である。
【図１５】  1012の分解能及び 1012 の分解能ディスクパターンを提供するために構成されたときの図１４の磁気エンコーダ及び検出器アレイを概略的に示す。
【図１６】  506 の分解能及び 506の分解能ディスクパターンを提供するために構成されたときの図１４の磁気エンコーダ及び検出器アレイを概略的に示す。
【図１７】  253 の分解能及び 253の分解能ディスクパターンを提供するために構成されたときの図１４の磁気エンコーダ及び検出器アレイを概略的に示す。
【図１８】本発明の光学エンコーダ及び検出アレイの第２実施例の概略的な側面図である。
【符号の説明】
１００    光学エンコーダ
１０２    コード歯車
１０４    データトラック
１０６    走査ユニット
１１０    光源
１１２    レンズ
１１４    光
１１６    変調された光
１１８    光検出器アレイ
１２０    検出システム
１２２    透明なバー
１２４    不透明なバー
１２６    増分式フォトダイオードアレイ
１２８    インデックス・ フォトダイオードアレイ
１３０    インデックス・ フォトダイオードアレイ
１３２    フォトダイオード
１３４    フォトダイオード
１３６    フォトダイオード
１３８    オプト・ ＡＳＩＣ半導体チップ
１３９    ＰＣボード
１４０    導線
１４２    導線
１４４    増分式データ分解能選択ユニット
１４６    増分式データ分解能選択ユニット
１４８    増分式データ分解能選択ユニット
１５２    出力信号線
１５３    インデックス分解能選択ユニット
１５４    スイッチング信号線
１５６    スイッチング信号線
１５８    スイッチング信号線
１６０    半導体スイッチ
２００    インピーダンス変換増幅器
２０１    比較器
２０２    インピーダンス変換増幅器
２０３    比較器
２０４    データ処理素子
２０６    出力信号
２１２    インターフェース
２１４    デジタル論理部
２１６    補間部
２１８    データパルス
２２０    データパルス
２２２    インデックス・ パルス
２２４    通信部
２３０    出力端子
２３２    出力端子
２３４    出力端子
３００    磁気エンコーダ
３０２    コード歯車
３０４    データトラック
３１８    検出器アレイ
３２６    増分式検出器アレイ
３２８    インデックス・ 検出器アレイ
３３０    インデックス・ 検出器アレイ
３３２    磁場検出器
３３４    磁場検出器
３３６    磁場検出器
４００    光学エンコーダ
４０２    反射レンズ
【図１】
0004230195.tif 000002
【図２】
0004230195.tif 000003
【図３】
0004230195.tif 000004
【図４】
0004230195.tif 000005
【図５】
0004230195.tif 000006
【図６】
0004230195.tif 000007
【図７】
0004230195.tif 000008
【図８】
0004230195.tif 000009
【図９】
0004230195.tif 000010
【図１０】
0004230195.tif 000011
【図１１】
0004230195.tif 000012
【図１２】
0004230195.tif 000013
【図１３】
0004230195.tif 000014
【図１４】
0004230195.tif 000015
【図１５】
0004230195.tif 000016
【図１６】
0004230195.tif 000017
【図１７】
0004230195.tif 000018
【図１８】
0004230195.tif 000019