JP2006153676A - 光学式エンコーダ装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 必要位相精度と、インデックススケールとメインスケールとの距離と、平行光線のビーム発散角度と、周期パターンの周期との関係を規定することにより、所望の精度をもつ光学式エンコーダ装置を提供する。
【解決手段】 ビーム発散角θをもつコリメータ４１から出射された平行光線がインデックススケール４３を透過してギャップg離れたメインスケール４２までに到達するまでに広がる距離(g×tanθ)の、メインスケール４２のピッチPに対する割合((g×tanθ)/P)を、光電出力信号の位相で表した値は、光学式エンコーダ装置４５の必要位相精度A_phよりも小さい。
【選択図】 図３

Description

この発明は、測長機器、計測装置、工作機械、複写機等を構成する各種の移動体の移動量を検出する光学式エンコーダ装置に関する。

画像形成装置は、感光体ドラム等の各種感光体、転写ベルト等の各種転写体、搬送ベルト等の各種搬送部材等の表面が移動する各種部材を有しており、位置ずれ等を防止して高精細で高画質な画像を形成するためには、感光体にトナー像を形成し、転写体にトナー像を転写し、搬送ベルトで用紙を搬送したりする際に、各部材の移動量を正確に測定して各部材を駆動制御する必要がある。さらに、移動量を測定する対象部材が振動しても正確に移動量を測定することが求められる。

特許文献１には、一定の格子定数をもつ光学格子で形成された移動するスケールに、平行光線を照射し、スケールと同じ格子定数をもち1/4波長ずれた２つの格子をもつインデックススケールに、スケールを透過した平行光線をさらに透過させ、インデックススケールの２つの格子を透過した２つの平行光線を２つの検出器でそれぞれ検出し、スケールとインデックススケールとの相対位置関係により変化する光量を検出して正弦波状の電気信号を形成してカウントすることにより、スケールの移動量を計測する相対位置検出装置が提案されている。

特許文献２及び特許文献３には、ベルト表面に形成したマークをセンサで検出し、検出して得られる信号のパルス間隔からベルト表面の速度を算出し、ベルト表面の速度を制御する画像形成装置が提案されている。特許文献４には、コヒーレント光と平行ビームを用いることでインデックススケールとメインスケールとのギャップを広くとっても、高精度に位置を検出できるエンコーダ装置が提案されている。

特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４のいずれにおいても、必要位相精度と、インデックススケールとメインスケールとの距離と、平行光線のビーム発散角度と、周期パターンの周期との関係が明らかでないため、所望の精度をもつ光学式エンコーダ装置を得ることができなかった。

特開昭５９−１３２３１１号公報 特開平６-２６３２８１号公報 特開平９-１１４３４８号公報 特開平１１-１６６８０９号公報

本発明は、必要位相精度と、インデックススケールとメインスケールとの距離と、平行光線のビーム発散角度と、周期パターンの周期との関係を規定することにより、所望の精度をもつ光学式エンコーダ装置を提供することを目的とする。

この発明の第１の光学式エンコーダ装置は、一方向に透過率を変化させた周期パターンをもつインデックススケールに平行光線を照射し、インデックススケールの周期パターンと同一方向かつ同一周期で透過率を変化させた周期パターンをもつメインスケールにインデックススケールを透過した平行光線を照射させ、メインスケールの透過光を受光して受光光の強度変化に基づいて、メインスケールとインデックススケールとの相対的な移動量を検出する光学式エンコーダ装置であって、光学式エンコーダ装置の必要位相精度をA_phで表し、インデックススケールとメインスケールとの距離をｇで表し、平行光線のビーム発散角度をθで表し、周期パターンの周期をPで表したとき、A_ph>2πg×(tanθ)/Pの関係式を満たす。

この発明の第２の光学式エンコーダ装置は、一方向に透過率を変化させた周期パターンをもつインデックススケールに平行光線を照射し、インデックススケールの周期パターンと同一方向かつ同一周期で反射率を変化させた周期パターンをもつメインスケールにインデックススケールを透過した平行光線を照射させ、メインスケールの反射光を受光して受光光の強度変化に基づいて、メインスケールとインデックススケールとの相対的な移動量を検出する光学式エンコーダ装置であって、光学式エンコーダ装置の必要位相精度をA_phで表し、インデックススケールとメインスケールとの距離をｇで表し、平行光線のビーム発散角度をθで表し、周期パターンの周期をPで表したとき、A_ph>2πg×(tanθ)/Pの関係式を満たす。

第１の光学式エンコーダ装置または第２の光学式エンコーダ装置において、平行光線は、最大径ｄをもつ光源から出射された波長λの光を焦点距離ｆのレンズで平行光に光学補正して形成され、インデックススケールの透過率の高い領域の幅をDで表したとき、ビーム発散角度θをd/(2f)としたときの関係式と、ビーム発散角度θを(1.22λ)/Dとしたときの関係式とをともに満たすとよい。

第１の光学式エンコーダ装置または第２の光学式エンコーダ装置において、平行光線はビームウエストでのスポットサイズw₀をもつ波長λのコヒーレント光であり、ビーム発散角度θをλ/(πw₀)としたときの関係式と、ビーム発散角θを(1.22λ)/Dとしたときの関係式とをともに満たすとよい。

第２の光学式エンコーダ装置において、メインスケールの反射光をインデックススケールに照射させ、インデックススケールを透過した反射光を受光するとよく、さらに、平行光線は、最大径ｄをもつ光源から出射された波長λの光を焦点距離ｆのレンズで光学補正して形成され、インデックススケールのスリット幅をDで表したとき、tan(d/2f)<D/2gと、tan(1.22λ/D)<D/2gとの少なくとも一方を満たすとよい。

上記いずれかの光学式エンコーダ装置において、メインスケールに照射される平行光線の進行方向は、インデックススケールに対するメインスケールの移動方向に直交する面内に含まれるとよい。

上記いずれかの光学式エンコーダ装置において、平行光線は、点光源LEDを光源として形成されるとよい。

上記いずれかの光学式エンコーダ装置において、インデックススケールは、メインスケールの周期パターンに対して位相のずれた位置に複数配置され、位相のずれた各位置のインデックススケールを透過した光を別々に受光するとよい。

上記いずれかの光学式エンコーダ装置において、メインスケールは、回転部材の表面に形成されているとよい。

この発明の画像形成装置は、メインスケールを回転部材の表面に形成し、回転部材の移動量を検出する上記いずれかの光学式エンコーダ装置を備える。

この発明の第１の光学式エンコーダ装置によれば、必要位相精度A_phに合ったビーム発散角度θ、ギャップg、スリットピッチPを選択することにより、目的にあった所望の精度で移動量を検出できる。

この発明の第２の光学式エンコーダ装置によれば、必要位相精度A_phに合ったビーム発散角度θ、ギャップg、スリットピッチPを選択することにより、目的にあった所望の精度で移動量を検出できる。

ビーム発散角度θをd/(2f)としたときの関係式と、ビーム発散角度θを(1.22λ)/Dとしたときの関係式とをともに満たすことにより、インデックススケールを透過した光をより集中してメインスケールに照射することができるため、より高い精度で移動量を検出できる。ビーム発散角度θをλ/(πw₀)としたときの関係式と、ビーム発散角θを(1.22λ)/Dとしたときの関係式とをともに満たすことにより、インデックススケールを透過した光をより集中してメインスケールに照射することができるため、より高い精度で移動量を検出できる。

第２の光学式エンコーダ装置において、メインスケールの反射光をインデックススケールに照射させ、インデックススケールを透過した反射光を受光することにより、メインスケールギャップとインデックススケールとの間隔を近づけて配置することができ、メインスケールの反射光をインデックススケールに透過させずに外部で受光する場合より分解能を高めることができ、さらに、tan(d/2f)<D/2gと、tan(1.22λ/D)<D/2gとの少なくとも一方を満たすことにより、高効率に反射光をインデックススケールに透過させて、より高い精度で移動量を検出できる。

メインスケールに照射される平行光線の進行方向は、インデックススケールに対するメインスケールの移動方向に直交する面内に含まれることにより、メインスケールとインデックススケールとの距離の変動や傾きにより反射光が位置変化しても、受光光量を大きく維持できるため、高い精度で移動量を検出できる。

平行光線は、点光源LEDを光源として形成されることにより、発光面積の大きな光源を用いる場合に比較して、インデックススケールとメインスケールとの間隔を大きくしても同一の必要位相精度を満たすことができる。

インデックススケールは、メインスケールの周期パターンに対して位相のずれた位置に複数配置され、位相のずれた各位置のインデックススケールを透過した光を別々に受光することにより、より高い精度で移動量を検出できる。

メインスケールは、回転する部材の表面に形成されていることにより、必要位相精度A_phに合ったビーム発散角度θ、ギャップg、スリットピッチPを選択することにより、目的にあった所望の精度で回転部材の移動量を検出できる。

この発明の画像形成装置によれば、目的にあった所望の精度で回転部材の移動量を検出して高精度に画像を形成できる。

第１の実施形態の画像形成装置１は、図１の構成図に示すように、画像読取部１０と処理部１１と給紙部１２と転写部１３と定着部１４と反転部１５と排紙部１６とを備える。

画像読取部１０は、原稿台に置かれた原稿やトレーに収容されて自動送り装置で送られる原稿に光を走査し、反射光を受光して各原稿の画像を読み取って処理部１１に出力する。処理部１１は、読み取られた画像から各トナー色ごとにトナー像作成のための書込み信号を作成するとともに、画像形成装置１全体の動作を制御する。給紙部１２は、転写部１３の下方に配置されて種々の紙質や大きさごとに記録媒体としての用紙１７を収容する複数の給紙トレーを有し、適宜、用紙１７を選択して転写部１３に送る。転写部１３は、処理部１１で作成された各トナー色ごとの書込信号の入力を受けて、各トナー色の画像を重ねたトナー像を用紙１７上に形成する。定着部１４は、トナー像を転写された記録媒体を、回転する高温の加熱ローラと、加熱ローラに対向して圧力を加える加圧ローラとの間に挟んで搬送し、トナー像を用紙１７に定着させる。なお、定着方法は、熱転写方式、溶剤定着、ＵＶ定着、加圧定着等であってもよい。反転部１５は、両面印刷時等の必要に応じて定着後の用紙１７を反転させて転写部１３に送る。排紙部１６は、画像形成を終了した記録媒体を排紙トレー等に排紙する。

転写部１３は、図２の構成図に示すように、搬送ベルト２０と駆動ローラ２１と従動ローラ２２と４つの電子プロセス部２３と光学式エンコーダ装置２４とを有する。搬送ベルト２０は、駆動ローラ２１と従動ローラ２２とに回転可能に支持されたエンドレスベルトで形成され、給紙部１２から給紙される用紙１７を静電吸着し、電子プロセス部２３を通過して定着部１４の前で剥離するまで搬送するエンドレスベルトである。駆動ローラ２１は、回転しながら搬送ベルト２０を一方向に回転させ、従動ローラ２２は搬送ベルト２０の回転に従って回転する。

４つの電子プロセス部２３は、同様の構造をもつ黒のトナー像を転写する電子プロセス部２３Ｋと、マゼンダのトナー像を転写する電子プロセス部２３Ｍと、シアンのトナー像を転写する電子プロセス部２３Ｃと、イエローのトナー像を転写する電子プロセス部２３Ｙとを、搬送ベルト２０に沿って用紙１７の搬送方向上流側から直線状に順に配列して構成され、搬送ベルト２０により搬送される用紙１７にそれぞれ順に各色のトナー像を重ねて転写する。各色のトナー像を用紙１７に転写する各電子プロセス部２３は、入力される書込み信号の対応する色と、用紙１７に転写するトナー像の色と、配置位置とが異なる他は同様の構成をもち、図１の構成図において各トナー色に対応した電子プロセス部２３の構成要素を示す符号に、黒、マゼンダ、イエロー、シアンのそれぞれに対して、Ｋ、Ｍ、Ｙ、Ｃの符号を付して表示している。

黒のトナー像を用紙１７に転写する電子プロセス部２３Ｋは、像担持体としての感光体ドラム３０Ｋと、感光体ドラム３０Ｋの周囲に配置された帯電器３１Ｋと露光器３２Ｋと現像機３３Ｋと転写器３４Ｋと感光体クリーナ３５Ｋとをもつ。帯電器３１Ｋは、暗中で感光体ドラム３０Ｋの周面を一様に帯電する。露光器３２Ｋは、処理部１１から送られる黒画像に対応した書込み信号に基づいて、レーザースキャナーのレーザ光源からのレーザ光を点灯させて、ポリゴンミラー、ｆθレンズ、偏向ミラー等を用いた光学系により走査して、一様に帯電した感光体ドラム３０Ｋを露光することにより感光体ドラム３０Ｋに黒画像に対応した静電潜像を形成する。現像器１０Ｋは、静電潜像を黒トナーにより可視像化し、感光体ドラム３０Ｋに黒のトナー像を形成する。転写器３４Ｋは、搬送ベルト２０を挟んで感光体ドラム３０Ｋと対向する位置に配置され、搬送ベルト２０で搬送される用紙１７が感光体ドラム３０Ｋに接する転写位置において、感光体ドラム３０Ｋとの間に印加された高電圧により黒のトナー像を用紙１７に転写させる。感光体クリーナ３５Ｋは、転写を終えた感光体ドラム３０Ｋの周面に残留した不要なトナーを除去し、感光体ドラム３０Ｋを次の画像形成に備えさせる。他の各電子プロセス部２３も同様の構成をもつ。

光学式エンコーダ装置２４は、図３の構成図に示すように、光源４０とコリメータ４１とメインスケール４２とインデックススケール４３とフォトディテクタ４４と位置演算部４５とを備える。

光源４０は、フォトディテクタ４４で検出される明暗のパターンに対して十分なコントラストを発生させる光を出射する。具体的に光源４０は、発光ダイオード（LED）、電球、半導体レーザ等で構成されることが望ましく、より好ましくは、平行化する際にビーム発散角の小さい光源、例えば半導体レーザで構成する。コリメータ４１は、光源４０から出射された光を平行光線に光学補正し、例えば光源４０から焦点距離fだけ離れた位置に配置されたレンズにより構成される。

メインスケール４２は、図４（ａ）の斜視図及び図４（ｂ）の平面図に示すように、搬送ベルト２０の幅方向端部において搬送ベルト２０の移動方向を一周するように、透過率の大きい幅P/2の高透過部５１と透過率の小さい幅P/2の低透過部５２とをストライプ状に並べたピッチPをもって形成されている。メインスケール４２は、コリメータ４１から出射される平行光線の光路上に配置されている。

インデックススケール４３は、図５の平面図に示すように、透過率の大きい幅P/2の高透過部６１と透過率の小さい幅P/2の低透過部６２とを等幅で交互に並べたピッチPのストライプ状の周期パターン構造をもつ。インデックススケール４３は、コリメータ４１から出射される平行光線の光路上に固定され、コリメータ４１とメインスケール４２との間においてメインスケール４２からギャップg離れて配置されている。メインスケール４２とインデックススケール４３とは、互いのストライプを平行にして配置される。インデックススケール４３は、透過する平行光線を周期パターン構造に一致した形に成形して出射させる。なお、インデックススケール４３の高透過部６１は１つであってもよく、汚れや欠陥が存在しても安定して位置を検出するために複数設けたものであってもよい。

フォトディテクタ４４は、インデックススケール４３とメインスケール４２とを透過した平行光線を受光し、受光した光を光電変換して受光量に比例した光電出力信号を生成する。

搬送ベルト２０が等速で回転すると、搬送ベルト２０に形成されたメインスケール４２はストライプの並ぶ方向に等速で移動し、インデックススケール４３を透過した平行光線と、メインスケール４２の高透過部５１との重なる量が変化するため、フォトディテクタ４４から出力される光電出力信号はほぼ正弦波状に変化し、光電出力信号の一周期2πがメインスケール４２のピッチPに相当する。例えば、インデックススケール４３の高透過部６１と、メインスケール４２の低透過部５２とが完全に重なると、フォトディテクタ４４における受光量は極小となり光電出力信号は極小値をとる。インデックススケール４３の高透過部６１と、メインスケール４２の高透過部５１とが完全に重なると、フォトディテクタ４４における受光量は極大となり光電出力信号は極大値をとる。インデックススケール４３の高透過部６１と、メインスケール４２の高透過部５１とが一部重なる場合は、光電出力信号は重なる量に比例した大きさをもつ。

位置演算部１５は、フォトディテクタ４４から出力される光電出力信号に対して比較等の演算処理を行うことにより、光電出力信号の周期2πの整数倍または整数分の１の周期的な矩形波を形成する。処理部１１は、位置演算部１５で形成された矩形波を計数することにより、搬送ベルト２０の移動量を計測し、電子プロセス部２３におけるトナー像の形成及び転写のタイミングや、駆動ローラ２１の回転量等を調整する。

式（１）で表されるように、ビーム発散角θをもつコリメータ４１から出射された平行光線がインデックススケール４３を透過してギャップg離れたメインスケール４２までに到達するまでに広がる距離(g×tanθ)の、メインスケール４２のピッチPに対する割合((g×tanθ)/P)を、光電出力信号の位相で表した値は、光学式エンコーダ装置４５の必要位相精度A_phよりも小さい。

A_ph>2π×((g×tanθ)/P) …（１）

必要位相精度A_phは、光学式エンコーダ装置４５の用途及び構成により決定され、例えば、矩形波を出力し、ピッチPに対して高いエッジの精度を要求する場合、必要位相精度A_phは小さい値をもち、ピッチPが0.36mmでありメインスケール４２に到達した平行光線の広がりを0.18mm未満に収めるためにはπとする。例えば、90°位相のずれたＡ相とＢ相とを出力するエンコーダでは、エッジの精度をそれほど要求せずカウントミスを防止するためには、Ａ相とＢ相とを重ねないように必要位相精度A_phを±45°にする。10μm以下の精度で移動量を計測する場合、メインスケール４２に10μm程度のピッチPをもたせた場合には、搬送ベルト２０の表面の振動によるギャップgの大きな変動により計測できないため、必要位相精度を36°〜18°よりも小さくしてメインスケール４２のピッチPを100〜200μm程度にする。位相差をもつインデックススケール４３を用いて、ベルトの上下動、汚れ、傷等によるオフセット成分をキャンセルするためには、より高い位相精度をもたせる。

ビーム発散角θは、コリメータ４１から出射される平行光線の広がりを示す。具体的には、最大径dをもつ光源４０を用いる場合、コリメータ４１の焦点距離fとにより定まる幾何学的なビーム発散角度θ=d/2fを式（１）に代入した式（２）と、インデックススケール４３の高透過部６１の幅に等しい開口サイズDと光源４０から出射される光の波長λとにより定まる回折広がりによるビーム発散角度θ=1.22λ/Dを式（１）に代入した式（３）とのいずれも満たすように、各パラメータを設定する。式（２）と式（３）とをともに満たすことにより、インデックススケール４３を透過した光をより集中してメインスケール４２に照射することができるため、より高い精度で移動量を検出できる。

A_ph>2π×((g×tan(d/2f))/P） …（２）
A_ph>2π×((g×tan(1.22λ/D))/P) …（３）

また、レーザ光のようなコヒーレント光によるガウシアンビームを出射する光源４０を用いる場合、光源４０から出射される光の波長λとビームウエストの幅w₀とにより定まるビーム発散角θ=λ/πw₀を式（１）に代入した式（４）と、インデックススケール４３の高透過部６１の幅に等しい開口サイズDと光源４０から出射される光の波長λとにより定まる回折広がりによるビーム発散角度θ=1.22λ/Dを式（１）に代入した式（５）とのいずれも満たすように、各パラメータを設定する。式（４）と式（５）とをともに満たすことにより、インデックススケール４３を透過した光をより集中してメインスケール４２に照射することができるため、より高い精度で移動量を検出できる。

A_ph>2π×((g×tan(λ/πw₀))/P） …（４）
A_ph>2π×((g×tan(1.22λ/D))/P) …（５）

コリメータ４１の焦点距離f=3、メインスケール４２及びメインスケール４３のピッチP=100μm、インデックススケールの開口サイズD=50μm、必要位相精度A_ph=π/20である場合、最大径d=500μmのLED光源を光源４０に用いるとギャップg<30μmと非常に微少にする必要がある一方、最大径d=50μmの点光源LEDと呼ばれる発光面積の小さいLEDを光源４０に用いるとギャップg<300μmと比較的大きくでき、半導体レーザを用いる場合に比較して低価格に光学式エンコーダ装置２３を形成できるとともに駆動回路を簡素化できる。

光学式エンコーダ装置２３によれば、必要位相精度A_phに合ったビーム発散角度θ、ギャップg、スリットピッチPを選択することにより、目的にあった所望の精度で移動量を検出できる。この画像形成装置１によれば、目的にあった所望の精度で移動量を検出して高精度に画像を形成できる。

なお、画像形成装置１は、搬送ベルト２０で搬送される用紙１７に感光体ドラム３０から直接トナー像を転写するものだけでなく、感光体ドラム３０から転写ベルトに各色のトナー像を重ねて転写した後、用紙１７に一括して転写するものであってもよく、電子プロセス部２３を並べたタンデム方式だけでなく、１ドラム式の現像器から各色のトナー像を１つの感光体ドラムに順次形成しながら、転写ベルトに重ねて転写した後、用紙１７に一括して転写するものであってもよい。また、画像形成装置１は、電子写真方式やインクジェット方式を用いた複写機、プリンタ、ＦＡＸ、複合機等であってもよい。なお、光学式エンコーダ装置２３は、搬送ベルト２０の移動量を検出するものに限られず、メインスケール４２を形成したドラム形状やベルト形状の各種感光体、中間転写体、搬送装置等の回転体表面の移動量を検出するものであってもよく、画像形成装置その他の装置に搭載されてメインスケール４２を形成した物体の移動量を検出するものであってもよい。

第２の実施形態の画像形成装置は、第１の実施形態の画像形成装置１が備える光学式エンコーダ装置２３と異なる光学式エンコーダ装置７０を備え、他の構成は第１の実施形態の画像形成装置１と同様である。光学式エンコーダ装置７０は、図６の構成図に示すように、第１の実施形態の光学式エンコーダ装置２４と同様の光源４０とコリメータ４１とメインスケール４２と、第１の実施形態の光学式エンコーダ装置２４と異なるインデックススケール７１とフォトディテクタ７２と位置演算部７３とを有する。

インデックススケール７１は、図７の平面図に示すようにＡ相形成部７４と＊Ａ相形成部７５とを有し、Ａ相形成部７４及び＊Ａ相形成部７５はそれぞれ、透過率の大きい幅P/2の高透過部７６と透過率の小さい幅P/2の低透過部７７とを等幅で交互に並べたピッチPのストライプ状の周期パターン構造をもち、Ａ相形成部７４と＊Ａ相形成部７５とは、メインスケール４２の周期方向にP/2+nP(nは整数)だけずれた位置に形成されている。インデックススケール７１は、コリメータ４１から出射される平行光線の光路上に固定され、コリメータ４１とメインスケール４２との間においてメインスケール４２からギャップg離れて配置されている。メインスケール４２とインデックススケール７１とは、互いのストライプを平行にして配置される。インデックススケール７１は、透過する平行光線を周期パターン構造に一致した形に成形して出射させる。

第１の実施形態と同様に、式（１）で表されるように、ビーム発散角θをもつコリメータ４１から出射された平行光線がインデックススケール７１を透過してギャップP離れたメインスケール４２までに到達するまでに広がる距離(g×tanθ)の、メインスケール４２のピッチPに対する割合((g×tanθ)/P)を、光電出力信号の位相で表した値は、光学式エンコーダ装置７０の必要位相精度A_phよりも小さい。

フォトディテクタ７２はＡ相検出部７８と＊Ａ相検出部７９とを有し、Ａ相検出部７８はインデックススケール７１のＡ相形成部７４とメインスケール４２とを透過した平行光線を受光し、＊Ａ相検出部７９はインデックススケール７１の＊Ａ相形成部７５とメインスケール４２とを透過した光を受光する。Ａ相検出部７８及び＊Ａ相検出部７９はそれぞれ受光した光を光電変換して受光量に比例した光電出力信号を生成する。Ａ相形成部７４と＊Ａ相形成部７５とは、メインスケール４２の移動方向にP/4だけずれて配置されているため、Ａ相検出部７８及び＊Ａ相検出部７９から出力される光電出力信号は、図８（ａ）の信号図に示すようにπずれて形成される。

位置演算部１５は、Ａ相検出部７８及び＊Ａ相検出部７９から出力される光電出力信号を、アンプやコンパレータを用いて飽和させたり加算や比較等の演算を行うことにより、光電出力信号の周期2πの整数倍または整数分の１の周期的な矩形波を形成する。例えば、図８（ｂ）の信号図に示すように、Ａ相検出部７８から出力される光電出力信号と＊Ａ相検出部７９から出力される光電出力信号とをコンパレータに入力して光電出力信号の周期2πと半分のπの幅をもつ矩形波を形成することにより、光電出力信号のオフセット変動により変動の少ない矩形波を形成する。処理部１１は、位置演算部１５で形成された矩形波の数を計数することにより、搬送ベルト２０の移動量を計測し、位置演算部１５で形成されたの演算結果に基づいて、電子プロセス部２３におけるトナー像の形成及び転写のタイミングや、駆動ローラ２１の回転量等を調整する。

なお、インデックススケール７１は、Ａ相形成部７４と＊Ａ相形成部７５とをP/4+nPだけずらして配置し、Ａ相検出部７８と＊Ａ相検出部７９とからπ/2だけ位相のずれたいわゆるＡ相及びＢ相の光電出力信号を得て、メインスケール４２の移動方向を検出できるようにしたものであってもよい。

光学式エンコーダ装置７０によれば、必要位相精度A_phにみあったビーム発散角度θ、ギャップg、スリットピッチPを選択することにより、目的にあった所望の精度で移動量を検出できる。光学式エンコーダ装置７０を備える画像形成装置によれば、目的にあった所望の精度で移動量を検出して高精度に画像を形成できる。

第３の実施形態の画像形成装置は、実施形態の画像形成装置１が備える光学式エンコーダ装置２３と異なる光学式エンコーダ装置８０を備え、他の構成は第１の実施形態の画像形成装置１と同様である。光学式エンコーダ装置８０は、図９の構成図に示すように、光源８１とコリメータ８２とメインスケール８３とインデックススケール８４とフォトディテクタ８５と位置演算部８６とを有する。

光源８１は、第１の実施形態の光源４０と同様の構成で光を出射する。コリメータ８２は、光源８１から出射された光を平行光線に光学補正する。

メインスケール８３は、図１０（ａ）の斜視図及び図１０（ｂ）の断面図に示すように、搬送ベルト２０の幅方向端部の表面において搬送ベルト２０の移動方向を一周するように接着層９１を介して搬送ベルト２０に接着されており、反射率の大きい幅P/2の高反射部８７と反射率の小さい幅P/2の低反射部８８とをストライプ状に並べたピッチPをもって形成されている。メインスケール４２は、コリメータ４１から出射される平行光線の光路上に配置されている。具体的には、メインスケール４２は、AlやCrなどの金属反射面をスリット形状にエッチングして形成する方法や、フォトエマルジョンフィルムを露光及び現像して所望の透過パターンや吸収パターンを形成し、さらに金属反射面を形成する方法等により形成される。メインスケール８３をベルト形状やドラム形状をもつ物体の表面に形成する場合、フォトエマルジョンフィルムを用いる方法のほうが、樹脂フィルムに作成して容易に利用できるので望ましい。

インデックススケール８４は、図１０（ｃ）の平面図に示すように第１の実施形態のインデックススケール４３と同様に、透過率の大きい幅P/2の高透過部８９と透過率の小さい幅P/2の低透過部９０とを等幅で交互に並べたピッチPのストライプ状の周期パターン構造をもつ。インデックススケール８４は、コリメータ８２から出射される平行光線の光路上に固定され、コリメータ８２とメインスケール８３との間においてメインスケール８３からギャップg離れて配置されている。メインスケール８３とインデックススケール８４とは、互いのストライプを平行にして配置される。インデックススケール８４は、透過する平行光線を周期パターン構造に一致した形に成形して出射させる。

フォトディテクタ８５は、コリメータ８２から出射されてインデックススケール８４を透過し、メインスケール８３で反射して再度インデックススケール８４を透過した平行光線を受光し、受光した光を光電変換して受光量に比例した光電出力信号を生成する。

図１１の斜視図に示すように、コリメータ８２から出射される平行光線の進行方向と、メインスケール８３で反射した平行光線の進行方向とは、メインスケール８３の移動方向に直交する面内に配置されているため、インデックススケール８４を透過した平行光線がメインスケール８３を照射する際に移動方向にずれることを防止でき、メインスケール８３を反射した平行光線がインデックススケール８４を再度透過する際にメインスケール８３の移動方向にずれることを防止できるため、フォトディテクタ８５において高効率かつ高精度に平行光線を受光できるとともに、メインスケール８３の振動等によりインデックススケール８４とメインスケール８３とのギャップgが変動しても光強度信号の位相を安定に維持できる。

位置演算部８６は、フォトディテクタ８５から出力される光電出力信号に対して比較等の演算処理を行うことにより、光電出力信号の周期2πの整数倍または整数分の１の周期的な矩形波を形成する。処理部１１は、位置演算部８６で形成された矩形波を計数することにより、搬送ベルト２０の移動量を計測し、電子プロセス部２３におけるトナー像の形成及び転写のタイミングや、駆動ローラ２１の回転量等を調整する。

式（１）で表されるように、ビーム発散角θをもつコリメータ８２から出射された平行光線がインデックススケール８４を透過してギャップg離れたメインスケール８３までに到達するまでに広がる距離(g×tanθ)の、メインスケール８３のピッチPに対する割合((g×tanθ)/P)を、光電出力信号の位相で表した値は、光学式エンコーダ装置８０の必要位相精度A_phよりも小さい。

さらに、光源８１の最大径dと、コリメータ８２の焦点距離fと、メインスケール８３の高反射部８７及びインデックッススケール８４の高透過部８９の幅に等しい開口サイズDと、インデックススケール８４とメインスケール８３とのギャップgと、光源８１から出射される光の波長λとの間に式（６）と式（７）とのいずれかを満たす。

tan(d/2f)<D/2g …（６）
tan(1.22λ/D)<D/2g …（７）

式（６）または式（７）を満たすことにより、ビーム発散角度d/2ｆあるいはビーム発散角度1.22λ/Dをもちインデックススケール８４の高透過部８９の一点を透過した平行光線は、メインスケール８３で反射し、再度インデックススケール８４を高効率に透過でき、ギャップを小さく取って必要位相精度またはビーム発散角度に余裕をもたせることができ、より高い精度で移動量を検出できる。

なお、光学式エンコーダ装置８０は第２の実施形態と同様に、インデックススケール８４がＡ相形成部と＊Ａ相形成部に分かれたものであって、フォトディテクタ８５がＡ相検出部と＊Ａ相検出部とに分かれたものであってもよい。Ａ相形成部と＊Ａ相形成部とのずれ方向は、メインスケール８３とインデックススケール８４とのギャップgが変動してもＡ相検出部と＊Ａ相検出部との受光光量のバランスを保つように、メインスケール８３の移動方向に一致させることが望ましい。

光学式エンコーダ装置８０によれば、必要位相精度A_phにみあったビーム発散角度θ、ギャップg、スリットピッチPを選択することにより、目的にあった所望の精度で移動量を検出できる。光学式エンコーダ装置８０によれば、コリメータ８２から出射される平行光線の進行方向と、メインスケール８３で反射した平行光線の進行方向とは、メインスケール８３の移動方向に直交する面内に配置されているため、メインスケール８３の高さ変動や角度変動の影響を抑制して、搬送ベルト２０の表面の位置を高精度に計測できる。光学式エンコーダ装置８０を備える画像形成装置によれば、目的にあった所望の精度で移動量を検出して高精度に画像を形成できる。

第１の実施形態の画像形成装置の構成図である。 第１の実施形態の転写部の構成図である。 第１の実施形態の光学式エンコーダ装置の構成図である。 第１の実施形態の搬送ベルト及びメインスケールの構成図である。 第１の実施形態のインデックススケールの構成図である。 第２の実施形態の光学式エンコーダ装置の構成図である。 第２の実施形態のインデックススケールの構成図である。 第２の実施形態の位置演算部における入力及び出力の信号図である。 第３の実施形態の光学式エンコーダ装置の構成図である。 第３の実施形態の搬送ベルトとメインスケールとインデックススケールの構成図である。 第３の実施形態におけるメインスケールへの光の入射方向及び出射方向とメインスケールの移動方向との関係を示す図である。

符号の説明

１；画像形成装置、１０；画像読取部、１１；処理部、１２；給紙部、１３；転写部、
１４；定着部、１５；反転部、１６；排紙部、１７；用紙、２０；搬送ベルト、
２１；駆動ローラ、２２；従動ローラ、２３；電子プロセス部、
２４；光学式エンコーダ装置、３０；感光体ドラム、３１；帯電器、３２；露光器、
３３；現像器、３４；転写器、３５；感光体クリーナ、４０；光源、４１；コリメータ、
４２；メインスケール、４３；インデックススケール、４４；フォトディテクタ、
４５；位置演算部、５１；高透過部、５２；低透過部、６１；高透過部、
６２；低透過部、７０；光学式エンコーダ装置、７１；インデックススケール、
７２；フォトディテクタ、７３；位置演算部、７４；Ａ相形成部、７５；＊Ａ相形成部、
７６；高透過部、７７；低透過部、７８；Ａ相検出部、７９；＊Ａ相検出部、
８０；光学式エンコーダ装置、８１；光源、８２；コリメータ、８３；メインスケール、
８４；インデックススケール、８５；フォトディテクタ、８６；位置演算部、
８７；高反射部、８８；低反射部、８９；高透過部、９０；低透過部、９１；接着層。

Claims (11)

1. 一方向に透過率を変化させた周期パターンをもつインデックススケールに平行光線を照射し、前記インデックススケールの周期パターンと同一方向かつ同一周期で透過率を変化させた周期パターンをもつメインスケールに前記インデックススケールを透過した平行光線を照射させ、前記メインスケールの透過光を受光して受光光の強度変化に基づいて、前記メインスケールと前記インデックススケールとの相対的な移動量を検出する光学式エンコーダ装置であって、
   光学式エンコーダ装置の必要位相精度をA_phで表し、前記インデックススケールと前記メインスケールとの距離をｇで表し、平行光線のビーム発散角度をθで表し、前記周期パターンの周期をPで表したとき、
   A_ph>2πg×(tanθ)/P
   の関係式を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ装置。
2. 一方向に透過率を変化させた周期パターンをもつインデックススケールに平行光線を照射し、前記インデックススケールの周期パターンと同一方向かつ同一周期で反射率を変化させた周期パターンをもつメインスケールに前記インデックススケールを透過した平行光線を照射させ、前記メインスケールの反射光を受光して受光光の強度変化に基づいて、前記メインスケールと前記インデックススケールとの相対的な移動量を検出する光学式エンコーダ装置であって、
   光学式エンコーダ装置の必要位相精度をA_phで表し、前記インデックススケールと前記メインスケールとの距離をｇで表し、平行光線のビーム発散角度をθで表し、前記周期パターンの周期をPで表したとき、
   A_ph>2πg×(tanθ)/P
   の関係式を満たすことを特徴とする光学式エンコーダ装置。
3. 前記平行光線は最大径ｄをもつ光源から出射された波長λの光を焦点距離ｆのレンズで平行光に光学補正して形成され、前記インデックススケールの透過率の高い領域の幅をDで表したとき、前記ビーム発散角度θをd/(2f)としたときの前記関係式と、前記ビーム発散角度θを(1.22λ)/Dとしたときの前記関係式とをともに満たす請求項１または請求項２に記載のエンコーダ装置。
4. 前記平行光線はビームウエストでのスポットサイズw₀をもつ波長λのコヒーレント光であり、前記ビーム発散角度θをλ/(πw₀)としたときの前記関係式と、前記ビーム発散角θを(1.22λ)/Dとしたときの前記関係式とをともに満たす請求項１または請求項２に記載のエンコーダ装置。
5. 前記メインスケールの反射光を前記インデックススケールに照射させ、前記インデックススケールを透過した反射光を受光する請求項２に記載の光学式エンコーダ装置。
6. 前記平行光線は、最大径ｄをもつ光源から出射された波長λの光を焦点距離ｆのレンズで光学補正して形成され、前記インデックススケールの透過率の高い領域の幅をDで表したとき、
   tan(d/2f)<D/2g
   と、
   tan(1.22λ/D)<D/2g
   との少なくとも一方を満たす請求項５に記載の光学式エンコーダ装置。
7. 前記メインスケールに照射される平行光線の進行方向は、前記インデックススケールに対する前記メインスケールの移動方向に直交する面内に含まれる請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学式エンコーダ装置。
8. 前記平行光線は、点光源LEDを光源として形成される請求項１から請求項７のいずれかに記載の光学式エンコーダ装置。
9. 前記インデックススケールは、前記メインスケールの周期パターンに対して位相のずれた位置に複数配置され、位相のずれた各位置のインデックススケールを透過した光を別々に受光する請求項１から請求項８のいずれかに記載の光学式エンコーダ装置。
10. 前記メインスケールは、回転部材の表面に形成されている請求項１から請求項９のいずれかに記載の光学式エンコーダ装置。
11. 前記メインスケールを回転部材の表面に形成し、前記回転部材の移動量を検出する請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光学式エンコーダ装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
    

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