JP2004309387A - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【課題】光電流におけるＤＣ成分を大幅に低減することが可能な光学式エンコーダを提供することを目的とする。
【解決手段】一定値以下のピッチを有する明暗パターンの第１の方向に沿った移動に対して、出力が変化する第１の光検出手段と、前記一定値以下のピッチを有する明暗パターンの前記第１の方向に沿った移動に対して、明パターンに相当する光を常に検出する第２の光検出手段と、前記第１の光検出手段の出力と前記第２の光検出手段の出力との演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダを提供する。
【選択図】 図１
【解決手段】一定値以下のピッチを有する明暗パターンの第１の方向に沿った移動に対して、出力が変化する第１の光検出手段と、前記一定値以下のピッチを有する明暗パターンの前記第１の方向に沿った移動に対して、明パターンに相当する光を常に検出する第２の光検出手段と、前記第１の光検出手段の出力と前記第２の光検出手段の出力との演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダを提供する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダに関し、特に、フォトダイオードを用いた光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダは、位置検出手段として用いられ、例えば、プリンタにおけるプリントヘッドの位置検出や、コピー機における紙送り量の制御などに利用されている。
【０００３】
図１１は、光学式エンコーダの要部断面構造を例示する模式図である。すなわち、同図に例示した光学式エンコーダの場合、発光素子３１と受光素子３２とが対向して設けられている。発光素子３１は、例えばリードフレーム４０の先端にＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）７０がマウントされ、その周囲が樹脂により適宜モールドされた構造を有する。一方、受光素子３２は、リードフレーム５０の先端に受光ＩＣ８０がマウントされ、その周囲が樹脂により適宜モールドされた構造を有する。これら発光素子３１と受光素子３２との間には、スケール３３が挿入され、スケール３３とエンコーダとの相対的な変位が検出される。
【０００４】
図１２は、受光ＩＣ８０に形成されたフォトダイオードの平面パターンを例示する模式図である。後に詳述するように、受光ＩＣ８０には、プレーナ状のｐｎ接合からなる複数のフォトダイオードと、その駆動回路が設けられている。なお、このようなフォトダイオードを用いた光検出回路は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００５】
光学式エンコーダの場合、これらフォトダイオード（１ｃ、１ｄ、・・・）は、図１２に例示したように、それぞれが略長方形状に形成され、同図においてＹ方向にアレイ状に配置されている。そして、コンタクト２０を介して、４相の配線（３０ａ〜３０ｄ）に対して順番に接続されている。すなわち、隣接する４個のフォトダイオード（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ、・・・）が一組となるように接続されている。
【０００６】
図１３は、スケール３３とフォトダイオードとの配置関係を表す模式図である。
【０００７】
すなわち、スケール３３には、光を透過するパターン部３４と、光を遮蔽するパターン部３５とが交互に設けられている。これらパターン３４、３５のピッチは、フォトダイオード（１ｃ、１ｄ、・・）の配列のピッチと略整合している。例えば同図に表した具体例の場合、１組のフォトダイオード（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ、）に対して、スケール３３の明暗パターン３４、３５が整合している。
【０００８】
発光素子３１からの光がスケール３３を透過すると、スケールの明暗パターン３４、３５により、受光素子３２に入る光に明暗がつけられ、この光の明暗によりフォトダイオード各相に流れる光電流に差が生じる。この光電流の差を回路で検出し、出力する。
【０００９】
図１３に表した具体例において、スケール３３と受光素子３１とが相対的に変位すると、フォトダイオードに接続された４相の配線（３０ａ〜３０ｄ）のそれぞれにおいて、図１４に表したような波形の光電流が得られる。４相の配線（３０ａ〜３０ｄ）のそれぞれから得られる波形の時間変化を読み取ることにより、スケール３３とエンコーダとの相対的な変位の方向及び量が分かる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３４０６６９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の光学式エンコーダにおいては、光電流波形のＤＣ成分が高いため、ダイナミックレンジが狭くなるなどの問題があった。
すなわち、図１４から分かるように、フォトダイオードから得られる光電流の波形は、ＤＣ電流成分とＡＣ電流成分との組合わせになっている。ここで問題になるのは、光電流がＤＣ電流成分をもっていることである。スケール３３によって、フォトダイオードに入射する光に明暗が与えられるが、スケール３３の明パターン３４を透過した光の屈折や回折、あるいは周囲光の影響などにより、本来光が入らないことが望ましい暗パターン３５の下のフォトダイオードにも光が入るために、このようなＤＣ成分が生ずる。また、隣接するフォトダイオード間で、光または光キャリアによるクロストークが生ずることによっても、ＤＣ成分が発生する。
【００１２】
このようなＤＣ電流成分が発生すると、電流−電圧変換回路でＡＣ電流成分がつぶれ、出力波形が歪んでしまい、回路の出力特性（Ｄｕｔｙ比・位相差）が低下するという問題が生ずる。これに対抗してダイナミックレンジを広げるためには、光の入力が強くなってもＡＣ成分がつぶれないように、電源電圧を高くしなくてはならず、回路の低電源電圧化に不利となる。
【００１３】
またさらに、このようなＤＣ成分は、エンコーダを小型化すると顕著になる傾向が見られる。これは、小型化に伴い、発光素子３１と受光素子３２との間隔も縮小され、発光素子３１から放出され受光素子３２に入射する光の平行性が低下するからである。このため、光学式エンコーダの小型化を進める上でも改善が必要とされる。
【００１４】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、光電流におけるＤＣ成分を大幅に低減することが可能な光学式エンコーダを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願発明の第１の態様によれば、一定値以下のピッチを有する明暗パターンの第１の方向に沿った移動に対して、出力が変化する第１の光検出手段と、前記一定値以下のピッチを有する明暗パターンの前記第１の方向に沿った移動に対して、明パターンに相当する光を常に検出する第２の光検出手段と、前記第１の光検出手段の出力と前記第２の光検出手段の出力との演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００１６】
本願発明の第２の態様によれば、第１の方向に並んで配列され前記第１の方向に対して略垂直な方向に長手方向を有する複数の第１のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの前記長手方向端部に隣接して配置され、前記第１の方向に長手方向を有する第２のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの検出結果と前記第２のフォトダイオードの検出結果とに基づいて演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００１７】
本願発明の第３の態様によれば、第１の方向に並んで配列された複数の第１のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの間に配置され、同一の配線に共通に接続された複数の第２のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの検出結果と前記複数の第２のフォトダイオードの検出結果とに基づいて演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態にかかる光学式エンコーダのフォトダイオードの構成を例示する平面図である。
すなわち、本実施形態においても、略長方形状の信号用フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・ｎｄ）が並列して設けられている。これら信号用フォトダイオードのそれぞれは、４相の配線３０ａ〜３０ｄのいずれかに対して順番に接続されている。すなわち、４相の配線３０ａ〜３０ｄによりそれぞれ共通接続された４相のフォトダイオード群（１ａ〜ｎａ、１ｂ〜ｎｄ、１ｃ〜ｎｃ、１ｄ〜ｎｄ）が形成されている。そして、隣接するフォトダイオード（例えば、１ａ〜１ｄ）は、それぞれ異なるフォトダイオード群に属するように配列されている。
そしてさらに、これら信号用フォトダイオードの上下に、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けられている。ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、信号用フォトダイオードのように所定ピッチで分割されておらず、信号用フォトダイオードの配列方向に沿って連続的に延在した略ストライプ状に形成されている。
【００２０】
信号用フォトダイオード１ａ〜ｎｄのそれぞれには、図１３に関して前述した如く、図示しないスケールとの相対的な変位により、光の明暗の変化に対応する光電流が流れる。これに対して、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３においては、スケールの変位には依存せずに常に一定の光が照射される。つまり、このＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３の長手方向の幅は、図示しないスケールの明暗パターンのピッチよりも大きいので、スケールの位置が変わっても、光が照射される面積と光が照射されない面積とがそれぞれ常に一定であるために、常に一定の光電流を得ることが可能となる。従って、これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３からの光電流を利用して、信号用フォトダイオード１ａ〜ｎｄの光電流におけるＤＣ成分をキャンセルすることができる。このための回路構成については、後に詳述する。
【００２１】
図２は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す模式図である。すなわち、同図は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２２】
本具体例の場合、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ型エピタキシャル層１１２が設けられ、ｐｎ接合フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が形成されている。そして、これらフォトダイオードは、ｐ型分離領域１１１により互いに分離されている。
【００２３】
図３は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。すなわち、同図は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２４】
この構造の場合、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ＋型埋め込み層１１４が設けられ、その上にｎ型エピタキシャル層１１２が形成されている。そして、その表面にｐ型拡散層１１１がプレーナ状に形成されている。この拡散層１１１が形成するｐｎ接合により、それぞれのフォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が得られる。
【００２５】
図４は、本実施形態の光学式エンコーダにおいて用いることができる回路を表す模式図である。
【００２６】
すなわち、同図は、図２に表したような断面構造を有する半導体に設けることができる回路を表す。すなわち、この回路は、ｐ型シリコン基板の上にｎ型エピタキシャル層１１２を形成することにより得られたフォトダイオードの周辺に設けることができる。
【００２７】
この回路は、電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｄと、ＤＣキャンセル部２００と、を有する。
【００２８】
信号用フォトダイオード群（１ａ〜ｎａ、１ｂ〜ｎｂ、１ｃ〜ｎｃ、１ｄ〜ｎｄ）のそれぞれは、電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｄに接続されている。図４には、これらのうち電流・電圧変換部３００ｄの構成を表した。すなわち、電流・電圧変換部３００ｄにおいては、変換用トランジスタ３０１と抵抗３０３とにより、フォトダイオード群（１ｄ〜ｎｄ）に流れる光電流が電圧に変換され出力される。図示は省略したが、他の電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｃも、同様の構造を有する。
【００２９】
一方、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、ＤＣキャンセル部２００に接続されている。ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３のアノードは接地（Ｇｎｄ）され、一方、カソードは、カレントミラー回路の基準ＰＮＰトランジスタ２０１のベース及びコレクタに接続されている。そして、この基準ＰＮＰトランジスタ２０１から、ＰＮＰトランジスタ（２０２〜２０５）で電流を折り返すように接続されている。ＰＮＰトランジスタ（２０２〜２０５）のコレクタは、電流・電圧変換部３００ｄに接続され、配線３０ｄを介して信号用フォトダイオード群（１ｄ〜ｎｄ）のカソードに至る。
【００３０】
また、図示は省略したが、これと同様に、ＰＮＰトランジスタ２０２、２０３、２０４のコレクタは、それぞれ電流・電圧変換部３００ａ、３００ｂ、３００ｃにおいて、信号用フォトダイオード群１ａ〜ｎａ、１ｂ〜ｎｂ、１ｃ〜ｎｃのカソードにそれぞれ接続されている。
【００３１】
この回路構成により、電流・電圧変換回路３００ｄの入力電流は、（Ｉ１−Ｉ２）となり、電流Ｉ２の分だけキャンセル（引き算）することができる。つまり、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を流れる光電流に基づいて電流Ｉ２が形成され、これよって信号用フォトダイオード群から得られる信号のＤＣ成分を補正することができる。
【００３２】
図５は、本発明において得られるＤＣ成分のキャンセル効果を説明するための模式図である。すなわち、同図（ａ）は、図１４に例示したような従来の光学式エンコーダから得られる光信号を表すグラフ図であり、同図（ｂ）は、本実施形態の光学式エンコーダから得られる光信号を表すグラフ図である。
【００３３】
エンコーダから得られる光信号は、前述したように、ＤＣ成分とＡＣ成分とを有する。ＡＣ成分は、発光素子と受光素子との配置関係などに応じて、同図に点線で例示したように比較的大きな振幅を有する場合や、また、同図に実線で表したように比較的小さな振幅を有する場合がある。ここで、小さな振幅を有する場合（実線）の振幅をＢ、ＤＣ成分のレベルをＡとした場合、同図（ｂ）に表したようにＤＣキャンセルを実施しない場合のＡとＢの比率は、例えば、Ａ：Ｂ＝５：１程度である。これに対して、本実施形態によれば、同図（ａ）に表したようにＡ：Ｂ＝２：１あるいはそれ以下にまで、ＤＣ成分のレベルを下げることができる。
【００３４】
キャンセルするための電流Ｉ２は、光電流Ｉ１より低い電流値に設定する。信号用フォトダイオードとＤＣキャンセル用フォトダイオードの面積の比から、各々の光電流値（ＤＣ電流成分）を見積り、Ｉ２＜Ｉ１の条件内で、カレントミラー回路の電流比率を自由に設定できる。カレントミラー比を任意に設定できるので、ＤＣ電流成分のキャンセルに必要とされる電流Ｉ２を、最適なＤＣキャンセル量（電流値）に設定することができる。その結果として、電流・電圧変換部３００から得られる出力信号におけるＤＣ成分のレベルをほぼゼロにまで下げることも可能である。なお、電流・電圧変換回路の出力電圧のダイナミックレンジが広ければ、Ｉ１＜Ｉ２でなくても設定可能である。
【００３５】
本実施形態によれば、このように、光電流におけるＤＣ成分を低下させることにより、以下の効果が得られる。
【００３６】
まず、信号のダイナミックレンジを拡大できる。すなわち、信号用フォトダイオードの光電流のＤＣ電流成分を回路でキャンセル（引き算）することにより、発光素子の光強度が変動しても、光電流の変動を小さく抑えることができる。その結果として、回路の入力ダイナミックレンジを広げることができる。
【００３７】
次に、回路の電源電圧を下げることができる。すなわち、これまでは、電流・電圧変換回路のダイナミックレンジを拡大するために、電源電圧を高くする必要があった。これに対して、本実施形態によれば、発光素子の光強度の変動による光電流の変動を抑えられることから、ダイナミックレンジの拡大が可能となるため、電源電圧を高くする必要がなくなり、回路の低電源電圧化が可能となる。
【００３８】
また、エンコーダの出力特性（Ｄｕｔｙ・位相差）の精度を向上できる。すなわち、ＤＣ成分を下げることにより、振幅の大きいＡＣ成分の光電流が取り出せるため、エンコーダ機能として重要な出力特性（Ｄｕｔｙ比・位相差）を、より精度良く得ることが可能となる。
【００３９】
またさらに、エンコーダの小型化が容易となる。すなわち、光学式エンコーダにおいては、小型化すると、発光素子と受光素子との間隔が縮小されるために、受光素子に入射する光の平行性が低下する。このため、スケールの明暗パターンが受光素子に忠実に反映されず、光の回折などによるＤＣ成分が増加する傾向がある。これに対して、本実施形態によれば、ＤＣ成分を確実且つ容易に低減できので、光学式エンコーダを小型化し、且つ高い分解能を確保することが可能となる。
【００４０】
図６は、本発明において用いることができる回路のもう一つの具体例を表す模式図である。すなわち、同図は、図３に表したように、ｎ型エピタキシャル層の表面にｐ型拡散層を形成することによりフォトダイオードを形成した場合に、これらフォトダイオードの周囲に設けることができる回路を表す。
【００４１】
本具体例の回路も、電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｄと、ＤＣキャンセル部２００と、を有する。そして、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３のカソードはＶｃｃに接続され、一方アノードはカレントミラー回路の基準ＮＰＮトランジスタ２１１のベースとコレクタに接続されている。この基準ＮＰＮトランジスタ２１１から、ＮＰＮトランジスタ（２１２〜２１５）で電流が折り返される。また、ＮＰＮトランジスタ２１５のコレクタが信号用フォトダイオード群（１ｄ〜ｎｄ）のアノードに接続されている。
【００４２】
この回路構成により、電流・電圧変換回路３００ｄの入力電流は、（Ｉ１−Ｉ２）となり、電流Ｉ２の分の電流をキャンセル（引き算）できる。
【００４３】
図７は、本発明において用いるとができるフォトダイオードの第２の具体例を表す平面図である。同図については、図１乃至図６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施形態においては、信号用フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・ｎｄ）の間に、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けられている。これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、配線３０ｅによって、共通接続されている。
【００４５】
図１３に例示したようなスケール３３を用いた場合には、１組すなわち隣接する４個の信号用フォトダイオード（例えば、１ａ〜１ｄ）のうちの、２個のフォトダイオード（例えば、１ａと１ｂ）は明パターン３４の下にあり、残り２個のフォトダイオード（例えば、１ｃと１ｄ）は暗パターン３５の下にある。ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３についても同様に、１組の信号用フォトダイオードに対応して、４個のＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けらているので、それらのうちの２個には光が照射され、残りの２個には光が照射されない。
【００４６】
しかし、これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、同じ配線３０ｅにより共通接続されているため、全てのＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３に照射される光の量は、スケールの位置によらず一定となる。つまり、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３からは、常に一定の光電流を得ることができる。この光電流を用いて、信号用フォトダイオード１ａ〜ｎｄの光電流におけるＤＣ成分をキャンセルすることができる。このための回路としては、図５及び図６に関して前述したものなどを用いることができる。
【００４７】
またさらに、本実施形態の場合、隣接する信号用フォトダイオードの間にＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を挿入するので、信号用フォトダイオード間の「クロストーク」を低減できるという効果が得られる。例えば、図４において、信号用フォトダイオード１ａと１ｂとの間にＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を設けることにより、これらフォトダイオード１ａ、１ｂ間のクロストーク（光電流の相互干渉）を低減することができる。すなわち、信号用フォトダイオードに光が照射した時に、半導体層中で発生する光キャリアによる余分な光電流を、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３で吸収することができる。このため、光電流を効率よく取り出せ、信号用フォトダイオード間の相互干渉の影響を低減できる。 その結果として、空間的な検出分解能を上げることができる。
【００４８】
つまり、エンコーダとして、より精度の高い光電流が取り出せるため、エンコーダ機能として重要な出力特性（Ｄｕｔｙ比・位相差）を、より精度良く得ることが可能となる。
【００４９】
図８は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す例示する模式図である。すなわち、同図は、図７のＡ−Ａ線断面構造を表す。
【００５０】
本具体例は、図２に表したものと同様の積層構造を有する。すなわち、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ型エピタキシャル層１１２が設けられ、ｐｎ接合フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が形成されている。そして、これらフォトダイオードは、ｐ型分離領域１１１により互いに分離されている。
【００５１】
図９は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。すなわち、同図は、図４のＡ−Ａ線断面構造を表す。
【００５２】
本具体例は、図３に表したものと同様の積層構造を有する。すなわち、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ＋型埋め込み層１１４が設けられ、その上にｎ型エピタキシャル層１１２が形成されている。そして、その表面にｐ型拡散層１１１がプレーナ状に形成されている。この拡散層１１１が形成するｐｎ接合により、それぞれのフォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が形成される。
【００５３】
図１０は、本発明において用いることができるフォトダイオードの第３の具体例を表す模式図である。同図についても、図１乃至図９に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５４】
本具体例においても、信号用フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・ｎｄ）の間に、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けられている。但し、これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、その上下端のみならず中央付近においても、配線３０ｅによって、共通接続されている。すなわち、本具体例におけるＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、同図に向かって上下方向に細長く形成されているために、上下方向の抵抗率が高くなる傾向を有する。これに対して、図１０に表したようにフォトダイオードの中央付近にも配線３０ｅを接続すれば、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３からの光電流の取り出しインピーダンスを改善できる。
【００５５】
また、本具体例においても、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を信号用フォトダイオードの間に設けることにより、これら信号用フォトダイオード間のクロストークを防ぐことができるという効果が得られる。
【００５６】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００５７】
例えば、図１に表したＤＣキャンセル用フォトダイオードと、図７または図１０に表したＤＣキャンセル用フォトダイオードと、を組み合わせてもよい。このようにすれば、ＤＣキャンセル用フォトダイオードの受光面積を増加させ、キャンセル用の光電流量を増大させることができると同時に、信号用フォトダイオード間のクロストークも防ぐことができる。
また、以上説明した発光素子、受光素子、半導体基板、半導体層、電極、回路要素などの各要素の材料、導電型、キャリア濃度、不純物、厚み、配置関係、パターン形状などに関して当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【００５８】
その他、上述した光学式エンコーダについては、当業者が公知の範囲から適宜選択したものも、本発明の要旨を含む限り本発明の範囲に包含される。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、光電流におけるＤＣ成分を大幅に低減することが可能となり、ダイナミックレンジを拡大し、検出分解能を増大させ、小型化も容易となる光学式エンコーダを提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる光学式エンコーダのフォトダイオードの構成を例示する平面図である。
【図２】本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す模式図である。
【図３】本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。
【図４】本実施形態の光学式エンコーダにおいて用いることができる回路を表す模式図である。
【図５】本発明において得られるＤＣ成分のキャンセル効果を説明するための模式図である。
【図６】本発明において用いることができる回路のもう一つの具体例を表す模式図である。
【図７】本発明において用いるとができるフォトダイオードの第２の具体例を表す平面図である。
【図８】本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す例示する模式図である。
【図９】本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。
【図１０】本発明において用いることができるフォトダイオードの第３の具体例を表す模式図である。
【図１１】光学式エンコーダの要部断面構造を例示する模式図である。
【図１２】受光ＩＣ８０に形成されたフォトダイオードの平面パターンを例示する模式図である。
【図１３】スケール３３とフォトダイオードとの配置関係を表す模式図である。
【図１４】光電流の波形を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１ａ〜ｎｄ ・・・ 信号用フォトダイオード
２０ ・・・ コンタクト
３０、３０ａ〜３０ ・・・ 金属配線
３１ ・・・ 発光素子
３２ ・・・ 受光素子
３３ ・・・ スケール
３４ ・・・ 光の透過する透明なパターン
３５ ・・・ 光の透過を妨げる黒の遮光パターン
３６ ・・・ 発光素子からの光
３７ ・・・ スケールを透過した光の屈折・回折光
４０ ・・・ ＬＥＤチップ
５０ ・・・ 受光ＩＣチップ
６０ ・・・ スケール
７０ ・・・ ＬＥＤチップ
８０ ・・・ 受光ＩＣ
１０１ ・・・ ＤＣキャンセル用フォトダイオード
１０２ ・・・ ＤＣキャンセル用フォトダイオード
１０３ ・・・ ＤＣキャンセル用フォトダイオード
１１１ ・・・ Ｐ型領域
１１２ ・・・ Ｎ型領域
１１３ ・・・ Ｐ型半導体基板
１１４ ・・・ Ｎ型埋め込み層
２００ ・・・ カレントミラー回路
２０１ ・・・ カレントミラー回路の基準ＰＮＰトランジスタ
２０２ 〜 ２０５ ・・・ ＰＮＰトランジスタ
２１１ ・・・ カレントミラー回路の基準ＮＰＮトランジスタ
２１２ 〜 ２１５ ・・・ ＮＰＮトランジスタ
３００ａ〜３００ｄ ・・・ 電流・電圧変換回路
３０１ ・・・ 入力トランジスタ
３０３ ・・・ 帰還抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式エンコーダに関し、特に、フォトダイオードを用いた光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダは、位置検出手段として用いられ、例えば、プリンタにおけるプリントヘッドの位置検出や、コピー機における紙送り量の制御などに利用されている。
【０００３】
図１１は、光学式エンコーダの要部断面構造を例示する模式図である。すなわち、同図に例示した光学式エンコーダの場合、発光素子３１と受光素子３２とが対向して設けられている。発光素子３１は、例えばリードフレーム４０の先端にＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）７０がマウントされ、その周囲が樹脂により適宜モールドされた構造を有する。一方、受光素子３２は、リードフレーム５０の先端に受光ＩＣ８０がマウントされ、その周囲が樹脂により適宜モールドされた構造を有する。これら発光素子３１と受光素子３２との間には、スケール３３が挿入され、スケール３３とエンコーダとの相対的な変位が検出される。
【０００４】
図１２は、受光ＩＣ８０に形成されたフォトダイオードの平面パターンを例示する模式図である。後に詳述するように、受光ＩＣ８０には、プレーナ状のｐｎ接合からなる複数のフォトダイオードと、その駆動回路が設けられている。なお、このようなフォトダイオードを用いた光検出回路は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００５】
光学式エンコーダの場合、これらフォトダイオード（１ｃ、１ｄ、・・・）は、図１２に例示したように、それぞれが略長方形状に形成され、同図においてＹ方向にアレイ状に配置されている。そして、コンタクト２０を介して、４相の配線（３０ａ〜３０ｄ）に対して順番に接続されている。すなわち、隣接する４個のフォトダイオード（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ、・・・）が一組となるように接続されている。
【０００６】
図１３は、スケール３３とフォトダイオードとの配置関係を表す模式図である。
【０００７】
すなわち、スケール３３には、光を透過するパターン部３４と、光を遮蔽するパターン部３５とが交互に設けられている。これらパターン３４、３５のピッチは、フォトダイオード（１ｃ、１ｄ、・・）の配列のピッチと略整合している。例えば同図に表した具体例の場合、１組のフォトダイオード（１ａ〜１ｄ、２ａ〜２ｄ、）に対して、スケール３３の明暗パターン３４、３５が整合している。
【０００８】
発光素子３１からの光がスケール３３を透過すると、スケールの明暗パターン３４、３５により、受光素子３２に入る光に明暗がつけられ、この光の明暗によりフォトダイオード各相に流れる光電流に差が生じる。この光電流の差を回路で検出し、出力する。
【０００９】
図１３に表した具体例において、スケール３３と受光素子３１とが相対的に変位すると、フォトダイオードに接続された４相の配線（３０ａ〜３０ｄ）のそれぞれにおいて、図１４に表したような波形の光電流が得られる。４相の配線（３０ａ〜３０ｄ）のそれぞれから得られる波形の時間変化を読み取ることにより、スケール３３とエンコーダとの相対的な変位の方向及び量が分かる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３４０６６９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の光学式エンコーダにおいては、光電流波形のＤＣ成分が高いため、ダイナミックレンジが狭くなるなどの問題があった。
すなわち、図１４から分かるように、フォトダイオードから得られる光電流の波形は、ＤＣ電流成分とＡＣ電流成分との組合わせになっている。ここで問題になるのは、光電流がＤＣ電流成分をもっていることである。スケール３３によって、フォトダイオードに入射する光に明暗が与えられるが、スケール３３の明パターン３４を透過した光の屈折や回折、あるいは周囲光の影響などにより、本来光が入らないことが望ましい暗パターン３５の下のフォトダイオードにも光が入るために、このようなＤＣ成分が生ずる。また、隣接するフォトダイオード間で、光または光キャリアによるクロストークが生ずることによっても、ＤＣ成分が発生する。
【００１２】
このようなＤＣ電流成分が発生すると、電流−電圧変換回路でＡＣ電流成分がつぶれ、出力波形が歪んでしまい、回路の出力特性（Ｄｕｔｙ比・位相差）が低下するという問題が生ずる。これに対抗してダイナミックレンジを広げるためには、光の入力が強くなってもＡＣ成分がつぶれないように、電源電圧を高くしなくてはならず、回路の低電源電圧化に不利となる。
【００１３】
またさらに、このようなＤＣ成分は、エンコーダを小型化すると顕著になる傾向が見られる。これは、小型化に伴い、発光素子３１と受光素子３２との間隔も縮小され、発光素子３１から放出され受光素子３２に入射する光の平行性が低下するからである。このため、光学式エンコーダの小型化を進める上でも改善が必要とされる。
【００１４】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、光電流におけるＤＣ成分を大幅に低減することが可能な光学式エンコーダを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願発明の第１の態様によれば、一定値以下のピッチを有する明暗パターンの第１の方向に沿った移動に対して、出力が変化する第１の光検出手段と、前記一定値以下のピッチを有する明暗パターンの前記第１の方向に沿った移動に対して、明パターンに相当する光を常に検出する第２の光検出手段と、前記第１の光検出手段の出力と前記第２の光検出手段の出力との演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００１６】
本願発明の第２の態様によれば、第１の方向に並んで配列され前記第１の方向に対して略垂直な方向に長手方向を有する複数の第１のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの前記長手方向端部に隣接して配置され、前記第１の方向に長手方向を有する第２のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの検出結果と前記第２のフォトダイオードの検出結果とに基づいて演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００１７】
本願発明の第３の態様によれば、第１の方向に並んで配列された複数の第１のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの間に配置され、同一の配線に共通に接続された複数の第２のフォトダイオードと、前記複数の第１のフォトダイオードの検出結果と前記複数の第２のフォトダイオードの検出結果とに基づいて演算を実施する演算回路と、を備えたことを特徴とする光学式エンコーダが提供される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態にかかる光学式エンコーダのフォトダイオードの構成を例示する平面図である。
すなわち、本実施形態においても、略長方形状の信号用フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・ｎｄ）が並列して設けられている。これら信号用フォトダイオードのそれぞれは、４相の配線３０ａ〜３０ｄのいずれかに対して順番に接続されている。すなわち、４相の配線３０ａ〜３０ｄによりそれぞれ共通接続された４相のフォトダイオード群（１ａ〜ｎａ、１ｂ〜ｎｄ、１ｃ〜ｎｃ、１ｄ〜ｎｄ）が形成されている。そして、隣接するフォトダイオード（例えば、１ａ〜１ｄ）は、それぞれ異なるフォトダイオード群に属するように配列されている。
そしてさらに、これら信号用フォトダイオードの上下に、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けられている。ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、信号用フォトダイオードのように所定ピッチで分割されておらず、信号用フォトダイオードの配列方向に沿って連続的に延在した略ストライプ状に形成されている。
【００２０】
信号用フォトダイオード１ａ〜ｎｄのそれぞれには、図１３に関して前述した如く、図示しないスケールとの相対的な変位により、光の明暗の変化に対応する光電流が流れる。これに対して、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３においては、スケールの変位には依存せずに常に一定の光が照射される。つまり、このＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３の長手方向の幅は、図示しないスケールの明暗パターンのピッチよりも大きいので、スケールの位置が変わっても、光が照射される面積と光が照射されない面積とがそれぞれ常に一定であるために、常に一定の光電流を得ることが可能となる。従って、これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３からの光電流を利用して、信号用フォトダイオード１ａ〜ｎｄの光電流におけるＤＣ成分をキャンセルすることができる。このための回路構成については、後に詳述する。
【００２１】
図２は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す模式図である。すなわち、同図は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２２】
本具体例の場合、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ型エピタキシャル層１１２が設けられ、ｐｎ接合フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が形成されている。そして、これらフォトダイオードは、ｐ型分離領域１１１により互いに分離されている。
【００２３】
図３は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。すなわち、同図は、図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２４】
この構造の場合、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ＋型埋め込み層１１４が設けられ、その上にｎ型エピタキシャル層１１２が形成されている。そして、その表面にｐ型拡散層１１１がプレーナ状に形成されている。この拡散層１１１が形成するｐｎ接合により、それぞれのフォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が得られる。
【００２５】
図４は、本実施形態の光学式エンコーダにおいて用いることができる回路を表す模式図である。
【００２６】
すなわち、同図は、図２に表したような断面構造を有する半導体に設けることができる回路を表す。すなわち、この回路は、ｐ型シリコン基板の上にｎ型エピタキシャル層１１２を形成することにより得られたフォトダイオードの周辺に設けることができる。
【００２７】
この回路は、電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｄと、ＤＣキャンセル部２００と、を有する。
【００２８】
信号用フォトダイオード群（１ａ〜ｎａ、１ｂ〜ｎｂ、１ｃ〜ｎｃ、１ｄ〜ｎｄ）のそれぞれは、電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｄに接続されている。図４には、これらのうち電流・電圧変換部３００ｄの構成を表した。すなわち、電流・電圧変換部３００ｄにおいては、変換用トランジスタ３０１と抵抗３０３とにより、フォトダイオード群（１ｄ〜ｎｄ）に流れる光電流が電圧に変換され出力される。図示は省略したが、他の電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｃも、同様の構造を有する。
【００２９】
一方、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、ＤＣキャンセル部２００に接続されている。ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３のアノードは接地（Ｇｎｄ）され、一方、カソードは、カレントミラー回路の基準ＰＮＰトランジスタ２０１のベース及びコレクタに接続されている。そして、この基準ＰＮＰトランジスタ２０１から、ＰＮＰトランジスタ（２０２〜２０５）で電流を折り返すように接続されている。ＰＮＰトランジスタ（２０２〜２０５）のコレクタは、電流・電圧変換部３００ｄに接続され、配線３０ｄを介して信号用フォトダイオード群（１ｄ〜ｎｄ）のカソードに至る。
【００３０】
また、図示は省略したが、これと同様に、ＰＮＰトランジスタ２０２、２０３、２０４のコレクタは、それぞれ電流・電圧変換部３００ａ、３００ｂ、３００ｃにおいて、信号用フォトダイオード群１ａ〜ｎａ、１ｂ〜ｎｂ、１ｃ〜ｎｃのカソードにそれぞれ接続されている。
【００３１】
この回路構成により、電流・電圧変換回路３００ｄの入力電流は、（Ｉ１−Ｉ２）となり、電流Ｉ２の分だけキャンセル（引き算）することができる。つまり、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を流れる光電流に基づいて電流Ｉ２が形成され、これよって信号用フォトダイオード群から得られる信号のＤＣ成分を補正することができる。
【００３２】
図５は、本発明において得られるＤＣ成分のキャンセル効果を説明するための模式図である。すなわち、同図（ａ）は、図１４に例示したような従来の光学式エンコーダから得られる光信号を表すグラフ図であり、同図（ｂ）は、本実施形態の光学式エンコーダから得られる光信号を表すグラフ図である。
【００３３】
エンコーダから得られる光信号は、前述したように、ＤＣ成分とＡＣ成分とを有する。ＡＣ成分は、発光素子と受光素子との配置関係などに応じて、同図に点線で例示したように比較的大きな振幅を有する場合や、また、同図に実線で表したように比較的小さな振幅を有する場合がある。ここで、小さな振幅を有する場合（実線）の振幅をＢ、ＤＣ成分のレベルをＡとした場合、同図（ｂ）に表したようにＤＣキャンセルを実施しない場合のＡとＢの比率は、例えば、Ａ：Ｂ＝５：１程度である。これに対して、本実施形態によれば、同図（ａ）に表したようにＡ：Ｂ＝２：１あるいはそれ以下にまで、ＤＣ成分のレベルを下げることができる。
【００３４】
キャンセルするための電流Ｉ２は、光電流Ｉ１より低い電流値に設定する。信号用フォトダイオードとＤＣキャンセル用フォトダイオードの面積の比から、各々の光電流値（ＤＣ電流成分）を見積り、Ｉ２＜Ｉ１の条件内で、カレントミラー回路の電流比率を自由に設定できる。カレントミラー比を任意に設定できるので、ＤＣ電流成分のキャンセルに必要とされる電流Ｉ２を、最適なＤＣキャンセル量（電流値）に設定することができる。その結果として、電流・電圧変換部３００から得られる出力信号におけるＤＣ成分のレベルをほぼゼロにまで下げることも可能である。なお、電流・電圧変換回路の出力電圧のダイナミックレンジが広ければ、Ｉ１＜Ｉ２でなくても設定可能である。
【００３５】
本実施形態によれば、このように、光電流におけるＤＣ成分を低下させることにより、以下の効果が得られる。
【００３６】
まず、信号のダイナミックレンジを拡大できる。すなわち、信号用フォトダイオードの光電流のＤＣ電流成分を回路でキャンセル（引き算）することにより、発光素子の光強度が変動しても、光電流の変動を小さく抑えることができる。その結果として、回路の入力ダイナミックレンジを広げることができる。
【００３７】
次に、回路の電源電圧を下げることができる。すなわち、これまでは、電流・電圧変換回路のダイナミックレンジを拡大するために、電源電圧を高くする必要があった。これに対して、本実施形態によれば、発光素子の光強度の変動による光電流の変動を抑えられることから、ダイナミックレンジの拡大が可能となるため、電源電圧を高くする必要がなくなり、回路の低電源電圧化が可能となる。
【００３８】
また、エンコーダの出力特性（Ｄｕｔｙ・位相差）の精度を向上できる。すなわち、ＤＣ成分を下げることにより、振幅の大きいＡＣ成分の光電流が取り出せるため、エンコーダ機能として重要な出力特性（Ｄｕｔｙ比・位相差）を、より精度良く得ることが可能となる。
【００３９】
またさらに、エンコーダの小型化が容易となる。すなわち、光学式エンコーダにおいては、小型化すると、発光素子と受光素子との間隔が縮小されるために、受光素子に入射する光の平行性が低下する。このため、スケールの明暗パターンが受光素子に忠実に反映されず、光の回折などによるＤＣ成分が増加する傾向がある。これに対して、本実施形態によれば、ＤＣ成分を確実且つ容易に低減できので、光学式エンコーダを小型化し、且つ高い分解能を確保することが可能となる。
【００４０】
図６は、本発明において用いることができる回路のもう一つの具体例を表す模式図である。すなわち、同図は、図３に表したように、ｎ型エピタキシャル層の表面にｐ型拡散層を形成することによりフォトダイオードを形成した場合に、これらフォトダイオードの周囲に設けることができる回路を表す。
【００４１】
本具体例の回路も、電流・電圧変換部３００ａ〜３００ｄと、ＤＣキャンセル部２００と、を有する。そして、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３のカソードはＶｃｃに接続され、一方アノードはカレントミラー回路の基準ＮＰＮトランジスタ２１１のベースとコレクタに接続されている。この基準ＮＰＮトランジスタ２１１から、ＮＰＮトランジスタ（２１２〜２１５）で電流が折り返される。また、ＮＰＮトランジスタ２１５のコレクタが信号用フォトダイオード群（１ｄ〜ｎｄ）のアノードに接続されている。
【００４２】
この回路構成により、電流・電圧変換回路３００ｄの入力電流は、（Ｉ１−Ｉ２）となり、電流Ｉ２の分の電流をキャンセル（引き算）できる。
【００４３】
図７は、本発明において用いるとができるフォトダイオードの第２の具体例を表す平面図である。同図については、図１乃至図６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４４】
本実施形態においては、信号用フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・ｎｄ）の間に、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けられている。これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、配線３０ｅによって、共通接続されている。
【００４５】
図１３に例示したようなスケール３３を用いた場合には、１組すなわち隣接する４個の信号用フォトダイオード（例えば、１ａ〜１ｄ）のうちの、２個のフォトダイオード（例えば、１ａと１ｂ）は明パターン３４の下にあり、残り２個のフォトダイオード（例えば、１ｃと１ｄ）は暗パターン３５の下にある。ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３についても同様に、１組の信号用フォトダイオードに対応して、４個のＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けらているので、それらのうちの２個には光が照射され、残りの２個には光が照射されない。
【００４６】
しかし、これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、同じ配線３０ｅにより共通接続されているため、全てのＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３に照射される光の量は、スケールの位置によらず一定となる。つまり、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３からは、常に一定の光電流を得ることができる。この光電流を用いて、信号用フォトダイオード１ａ〜ｎｄの光電流におけるＤＣ成分をキャンセルすることができる。このための回路としては、図５及び図６に関して前述したものなどを用いることができる。
【００４７】
またさらに、本実施形態の場合、隣接する信号用フォトダイオードの間にＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を挿入するので、信号用フォトダイオード間の「クロストーク」を低減できるという効果が得られる。例えば、図４において、信号用フォトダイオード１ａと１ｂとの間にＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を設けることにより、これらフォトダイオード１ａ、１ｂ間のクロストーク（光電流の相互干渉）を低減することができる。すなわち、信号用フォトダイオードに光が照射した時に、半導体層中で発生する光キャリアによる余分な光電流を、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３で吸収することができる。このため、光電流を効率よく取り出せ、信号用フォトダイオード間の相互干渉の影響を低減できる。 その結果として、空間的な検出分解能を上げることができる。
【００４８】
つまり、エンコーダとして、より精度の高い光電流が取り出せるため、エンコーダ機能として重要な出力特性（Ｄｕｔｙ比・位相差）を、より精度良く得ることが可能となる。
【００４９】
図８は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す例示する模式図である。すなわち、同図は、図７のＡ−Ａ線断面構造を表す。
【００５０】
本具体例は、図２に表したものと同様の積層構造を有する。すなわち、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ型エピタキシャル層１１２が設けられ、ｐｎ接合フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が形成されている。そして、これらフォトダイオードは、ｐ型分離領域１１１により互いに分離されている。
【００５１】
図９は、本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。すなわち、同図は、図４のＡ−Ａ線断面構造を表す。
【００５２】
本具体例は、図３に表したものと同様の積層構造を有する。すなわち、ｐ型シリコン基板１１３の上にｎ＋型埋め込み層１１４が設けられ、その上にｎ型エピタキシャル層１１２が形成されている。そして、その表面にｐ型拡散層１１１がプレーナ状に形成されている。この拡散層１１１が形成するｐｎ接合により、それぞれのフォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・・）が形成される。
【００５３】
図１０は、本発明において用いることができるフォトダイオードの第３の具体例を表す模式図である。同図についても、図１乃至図９に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５４】
本具体例においても、信号用フォトダイオード（１ａ、１ｂ、・・ｎｄ）の間に、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３が設けられている。但し、これらＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、その上下端のみならず中央付近においても、配線３０ｅによって、共通接続されている。すなわち、本具体例におけるＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３は、同図に向かって上下方向に細長く形成されているために、上下方向の抵抗率が高くなる傾向を有する。これに対して、図１０に表したようにフォトダイオードの中央付近にも配線３０ｅを接続すれば、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３からの光電流の取り出しインピーダンスを改善できる。
【００５５】
また、本具体例においても、ＤＣキャンセル用フォトダイオード１０３を信号用フォトダイオードの間に設けることにより、これら信号用フォトダイオード間のクロストークを防ぐことができるという効果が得られる。
【００５６】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００５７】
例えば、図１に表したＤＣキャンセル用フォトダイオードと、図７または図１０に表したＤＣキャンセル用フォトダイオードと、を組み合わせてもよい。このようにすれば、ＤＣキャンセル用フォトダイオードの受光面積を増加させ、キャンセル用の光電流量を増大させることができると同時に、信号用フォトダイオード間のクロストークも防ぐことができる。
また、以上説明した発光素子、受光素子、半導体基板、半導体層、電極、回路要素などの各要素の材料、導電型、キャリア濃度、不純物、厚み、配置関係、パターン形状などに関して当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
【００５８】
その他、上述した光学式エンコーダについては、当業者が公知の範囲から適宜選択したものも、本発明の要旨を含む限り本発明の範囲に包含される。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、光電流におけるＤＣ成分を大幅に低減することが可能となり、ダイナミックレンジを拡大し、検出分解能を増大させ、小型化も容易となる光学式エンコーダを提供することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる光学式エンコーダのフォトダイオードの構成を例示する平面図である。
【図２】本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す模式図である。
【図３】本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。
【図４】本実施形態の光学式エンコーダにおいて用いることができる回路を表す模式図である。
【図５】本発明において得られるＤＣ成分のキャンセル効果を説明するための模式図である。
【図６】本発明において用いることができる回路のもう一つの具体例を表す模式図である。
【図７】本発明において用いるとができるフォトダイオードの第２の具体例を表す平面図である。
【図８】本実施形態のフォトダイオードの断面構造を一例を表す例示する模式図である。
【図９】本実施形態のフォトダイオードの断面構造のもうひとつの例を表す模式図である。
【図１０】本発明において用いることができるフォトダイオードの第３の具体例を表す模式図である。
【図１１】光学式エンコーダの要部断面構造を例示する模式図である。
【図１２】受光ＩＣ８０に形成されたフォトダイオードの平面パターンを例示する模式図である。
【図１３】スケール３３とフォトダイオードとの配置関係を表す模式図である。
【図１４】光電流の波形を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１ａ〜ｎｄ ・・・ 信号用フォトダイオード
２０ ・・・ コンタクト
３０、３０ａ〜３０ ・・・ 金属配線
３１ ・・・ 発光素子
３２ ・・・ 受光素子
３３ ・・・ スケール
３４ ・・・ 光の透過する透明なパターン
３５ ・・・ 光の透過を妨げる黒の遮光パターン
３６ ・・・ 発光素子からの光
３７ ・・・ スケールを透過した光の屈折・回折光
４０ ・・・ ＬＥＤチップ
５０ ・・・ 受光ＩＣチップ
６０ ・・・ スケール
７０ ・・・ ＬＥＤチップ
８０ ・・・ 受光ＩＣ
１０１ ・・・ ＤＣキャンセル用フォトダイオード
１０２ ・・・ ＤＣキャンセル用フォトダイオード
１０３ ・・・ ＤＣキャンセル用フォトダイオード
１１１ ・・・ Ｐ型領域
１１２ ・・・ Ｎ型領域
１１３ ・・・ Ｐ型半導体基板
１１４ ・・・ Ｎ型埋め込み層
２００ ・・・ カレントミラー回路
２０１ ・・・ カレントミラー回路の基準ＰＮＰトランジスタ
２０２ 〜 ２０５ ・・・ ＰＮＰトランジスタ
２１１ ・・・ カレントミラー回路の基準ＮＰＮトランジスタ
２１２ 〜 ２１５ ・・・ ＮＰＮトランジスタ
３００ａ〜３００ｄ ・・・ 電流・電圧変換回路
３０１ ・・・ 入力トランジスタ
３０３ ・・・ 帰還抵抗
Claims (14)
- 一定値以下のピッチを有する明暗パターンの第１の方向に沿った移動に対して、出力が変化する第１の光検出手段と、
前記一定値以下のピッチを有する明暗パターンの前記第１の方向に沿った移動に対して、明パターンに相当する光を常に検出する第２の光検出手段と、
前記第１の光検出手段の出力と前記第２の光検出手段の出力との演算を実施する演算回路と、
を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 第１の方向に並んで配列され前記第１の方向に対して略垂直な方向に長手方向を有する複数の第１のフォトダイオードと、
前記複数の第１のフォトダイオードの前記長手方向端部に隣接して配置され、前記第１の方向に長手方向を有する第２のフォトダイオードと、
前記複数の第１のフォトダイオードの検出結果と前記第２のフォトダイオードの検出結果とに基づいて演算を実施する演算回路と、
を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 第１の方向に並んで配列された複数の第１のフォトダイオードと、
前記複数の第１のフォトダイオードの間に配置され、同一の配線に共通に接続された複数の第２のフォトダイオードと、
前記複数の第１のフォトダイオードの検出結果と前記複数の第２のフォトダイオードの検出結果とに基づいて演算を実施する演算回路と、
を備えたことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記複数の第２のフォトダイオードは、前記複数の第１のフォトダイオードのそれぞれの間に配置されていることを特徴とする請求項３記載の光学式エンコーダ。
- 前記第１の光検出手段は、
前記第１の方向に沿って配列された複数の第１のフォトダイオードと、
複数の配線と、
を有し、
前記複数の第１のフォトダイオードは、それぞれが前記複数の配線のいずれかに対して共通接続された複数のダイオード群からなり、且つ、前記第１のフォトダイオードのうちの隣接するものは、前記複数のダイオード群のうちの異なるものに属することを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。 - 前記複数の第１のフォトダイオードは、４つ毎にそれぞれ同一の配線に接続されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記第２の光検出手段は、前記第１の方向に見たときに、前記一定値以下のピッチよりも大なる光検出部を有する第２のフォトダイオードを含むことを特徴とする１または５に記載の光学式エンコーダ。
- 前記複数の第１のフォトダイオードのそれぞれは、前記第１の方向に対して略垂直な方向に延伸した略長方形状の光受光部を有し、
前記第２のフォトダイオードは、前記第１の方向に沿って延伸した略長方形状の光検出部を有することを特徴とする請求項５記載の光学式エンコーダ。 - 前記第２の光検出手段は、
前記第１の方向に沿って配列された複数の第２のフォトダイオードと、
前記複数の第２のフォトダイオードを共通接続する配線と、
を含むことを特徴とする請求項１または５記載の光学式エンコーダ。 - 前記複数の第２のフォトダイオードのそれぞれは、前記複数の第１のフォトダイオードのそれぞれの間に設けられたことを特徴とする請求項９記載の光学式エンコーダ。
- 前記複数の第１のフォトダイオードのそれぞれは、前記第１の方向に対して略垂直な方向に延伸した略長方形状の光受光部を有し、
前記複数の第２のフォトダイオードのそれぞれは、前記第１の方向に対して略垂直な方向に延伸した略長方形状の光検出部を有することを特徴とする請求項１０記載の光学式エンコーダ。 - 前記共通接続する配線は、前記複数の第２のフォトダイオードのそれぞれの中央近傍に接続された配線を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記演算回路は、前記第２のフォトダイオードの出力に一定の係数を乗算したものを前記第１のフォトダイオードの出力から減算することを特徴とする請求項２〜１２のいずれか１つに記載の光学式エンコーダ。
- 前記第２のフォトダイオードの出力に前記一定の係数を乗算したものは、前記第１のフォトダイオードの出力よりも小なることを特徴とする請求項１３記載の光学式エンコーダ。
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