JP2008039505A - 光電式エンコーダおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発光や移動体等による光学的なばらつきが存在しても、安定した高精度の位相差やデューティ比を有し、高分解能の出力信号が得られる光電式エンコーダを提供すること。
【解決手段】発光素子と、この発光素子からの光が到達し得る領域に、一方向Ｄに並べて配置された複数の受光素子とを備える。一方向Ｄに沿って、光オン部Ｘおよび光オフ部Ｙを一定ピッチＰで交互に有する移動体４０が通過するとき、各受光素子の出力Ａ１＋，Ａ２＋，…，Ａ４−は、発光素子からの光が入射し又は入射しないのに応じた値をとる。複数の受光素子の出力のうち互いに１８０°位相の異なる出力同士の差分をそれぞれ取る減算器２１，２２，２３，２４を備える。各減算器２１，２２，２３，２４によって得られた差分信号を、受光素子の配置順に応じて交互に第１群と第２群とに分類して、各群毎にそれぞれ加算器３１、３２によって加算する。
【選択図】図１

Description

この発明は光電式エンコーダに関し、より詳しくは、発光素子と受光素子とを備え、上記発光素子からの光が上記受光素子に対して入射する状態、入射しない状態をつくる光オン部および光オフ部を交互に有する移動体の移動に応じて、上記受光素子から信号を出力する光電式エンコーダに関する。

また、この発明はそのような光電式エンコーダを備えた電子機器に関する。電子機器とは、例えば、複写機、プリンタなどの印刷機器や、ロボットなどのＦＡ（ファクトリ・オートメイション）機器を広く含む。

従来、この種の光電式エンコーダとしては、例えば特許文献１（実開平７−１２９２４号公報）に記載のように、光源と光センサとが間隙を有して対向配置されてなる光学部材と、同一幅の透光領域と遮光領域とが等ピッチで交互に形成され、上記間隙内を透光領域と遮光領域とが通過するように変位する透光／遮光部材とを有し、前記透光／遮光部材の変位に伴い、前記光センサに間欠的に照射される前記光源からの光信号を電気信号に変換して、前記透光／遮光部材の変位量および変位方向を検出するものが知られている。同文献では、透光／遮光領域の１ピッチ幅（透光領域と遮光領域とを併せた幅）内に１〜２^ｎ番目（ｎ≧３）のセンサ要素を並設して、それらのセンサ要素の出力から互いに位相が異なる複数の信号を作るようになっている。

また、特許文献２（特開２００６−１０４８６号公報）には、複数ピッチにまたがるように、透光／遮光領域の１ピッチ幅（透光領域と遮光領域とを併せた幅）内に、幅１／４ピッチのセンサ要素を並設して、それらのセンサ要素の出力から互いに位相が異なる複数の信号を作るようになっている。
実開平７−１２９２４号公報 特開２００６−１０４８６号公報

しかしながら、従来の光電式エンコーダでのセンサ要素（受光素子）の配置からの演算方法では、安定した高精度の位相差、デューティ比を有する出力信号が得られないという問題がある。特に出力を高分解能化した場合、位相差のばらつきが大きいと位相反転がおき、まったく精度が取れない。

そこで、この発明の課題は、発光や移動体等による光学的なばらつきが存在しても、安定した高精度の位相差やデューティ比を有し、高分解能の出力信号が得られる光電式エンコーダを提供することにある。

また、この発明の課題は、そのような光電式エンコーダを備えた電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光電式エンコーダは、
発光素子と、
上記発光素子からの光が到達し得る領域に、一方向に並べて配置された複数の受光素子と
を備え、
上記各受光素子に対応する所定の位置を上記一方向に沿って、上記光が上記受光素子に対して入射する状態、入射しない状態をつくる光オン部および光オフ部を一定ピッチで交互に有する移動体が所定の移動周波数で通過するとき、上記各受光素子の出力は、その受光素子に対して上記発光素子からの光が入射し又は入射しないのに応じた値をとり、
上記発光素子からの光が到達し得る上記領域を、上記一方向に関して、上記移動体の上記光オン部と光オフ部のピッチに対応した１ピッチ領域毎に区分したとき、上記複数の受光素子はそれぞれ空間的位相をもち、
上記複数の受光素子のうち上記一方向に関して一端に配置された受光素子を基準とし、上記基準の受光素子と、この基準の受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第１差分信号を求める減算器と、
上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ２番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第２差分信号を求める減算器と、
上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ４番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第３差分信号を求める減算器と、
ａを２以上の偶数、ｍを２以上の整数としたとき、上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へａ番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第ｍ差分信号までをそれぞれ求める減算器と、
上記第１群の第１差分信号から第ｍ差分信号までのｍ個の差分信号を加算して第１群の中間出力信号を求める加算器とを備えるとともに、
上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ１番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第１差分信号を求める減算器と、
上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ３番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第２差分信号を求める減算器と、
上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ５番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第３差分信号を求める減算器と、
ｎを２以上の整数としたとき、上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ（ａ＋１）番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第ｎ差分信号までをそれぞれ求める減算器と、
上記第２群の第１差分信号から第ｎ差分信号までのｎ個の差分信号を加算して第２群の中間出力信号を求める加算器とを備えることを特徴とする。

ここで、受光素子の「空間的位相」とは、上記一方向に関して、１ピッチ領域毎に区分された空間周期における位相を意味する。

この発明の光電式エンコーダでは、複数配置された受光素子の出力のうち互いに１８０°位相の異なる出力同士の差分をそれぞれ減算器によって取るため、最もＳＮ（信号対ノイズ）比の優れた出力振幅を得ることができる。この理由は、各受光素子が出力する受光電流は微小であるため、互いに１８０°位相の異なる出力同士差分を取って増幅することで最も出力振幅が大きくなるからである。

しかも、この光電式エンコーダでは、実質的に、上記各減算器によって得られた差分信号を、上記一方向に関する受光素子の配置順に応じて、上記一方向に関して基準となる一端側から交互に第１群と第２群とに分類している。そして、上記第１群の第１差分信号から第ｍ差分信号までのｍ個の差分信号を加算器によって加算して第１群の中間出力信号を求めるとともに、上記第２群の第１差分信号から第ｎ差分信号までのｎ個の差分信号を加算器によって加算して第２群の中間出力信号を求める。したがって、発光や移動体等による光学的なばらつきが存在しても、第１群の中間出力信号と第２群の中間出力信号との間の位相差やデューティ比の変動が平均化されて小さくなる。したがって、この光電式エンコーダでは、安定した高精度の位相差やデューティ比が得られ、高分解能の出力信号が得られる。

なお、上記ｍとｎとは等しいことが望ましい。その場合、第１群の中間出力信号と第２群の中間出力信号との間の位相差の変動が最小になる。

また、上記複数の受光素子の上記一方向に関する間隔はいずれも等しいことが望ましい。その場合、第１群の中間出力信号と第２群の中間出力信号との間の位相差の変動が、さらに平均化される。したがって、さらに安定した高精度の位相差やデューティ比が得られ、さらに高分解能の出力信号が得られる。

一実施形態の光電式エンコーダでは、
上記第１群の中間出力信号をこの中間出力信号の反転相と比較して、ＡＤ変換を行うＡＤ変換器と、
上記第２群の中間出力信号をこの中間出力信号の反転相と比較して、ＡＤ変換を行うＡＤ変換器とを備えることを特徴とする。

ここで、ＡＤ変換はアナログ−デジタル変換を意味し、ＡＤ変換器はアナログ−デジタル変換器を意味する（以下同様。）。

上記受光素子の出力はアナログ信号であるから、上記第１群の中間出力信号と第２群の中間出力信号とは、光学ばらつきによる位相変動を含んでいる。そこで、この一実施形態の光電式エンコーダでは、上記第１群の中間出力信号、上記第２群の中間出力信号をそれぞれＡＤ変換器によってそれぞれの反転相と比較してＡＤ変換を行う。したがって、位相変動の小さいデジタル信号が得られ、有益である。

一実施形態の光電式エンコーダでは、
ｋを２以上でｍまたはｎ以下の整数としたとき、
上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、０／ｋ個分の反転相と（ｋ−０）／ｋ個分の差分信号を加算して第１群の第１中間出力信号を求める加算器と、
上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、１／ｋ個分の反転相と（ｋ−１）／ｋ個分の差分信号を加算して第１群の第２中間出力信号を求める加算器と、
上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、２／ｋ個分の反転相と（ｋ−２）／ｋ個分の差分信号を加算して上記第１群の第３中間出力信号を求める加算器と、
上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、（ｋ−１）／ｋ個分の反転相と｛ｋ−（ｋ−１）｝／ｋ個分の差分信号を加算して第１群の第ｋ中間出力信号までをそれぞれ求める加算器とを備えるとともに、
上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、０／ｋ個分の反転相と（ｋ−０）／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第１中間出力信号を求める加算器と、
上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、１／ｋ個分の反転相と（ｋ−１）／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第２中間出力信号を求める加算器と、
上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、２／ｋ個分の反転相と（ｋ−２）／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第３中間出力信号を求める加算器と、
上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、（ｋ−１）／ｋ個分の反転相と｛ｋ−（ｋ−１）｝／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第ｋ中間出力信号を求める加算器とを備えることを特徴とする。

ここで、０／ｋ個分（つまり０個分）の反転相を「加算」するとは、実際には加算しないことを意味する。

また、例えば１／ｋ個分とは、ｋ個のうちの１個を指す。２／ｋ個分とは、ｋ個のうちの２個を指す。同様に、（ｋ−１）／ｋ個分とは、ｋ個のうちの（ｋ−１）個を指す。

この一実施形態の光電式エンコーダでは、第１群において互いに位相が異なるｋ個の中間出力信号が得られるとともに、第２群において互いに位相が異なるｋ個の中間出力信号が得られる。第１群の上記ｋ個の中間出力信号は、第１群のｍ対の受光素子による位相情報を全て有する。同様に、第２群の上記ｋ個の中間出力信号は、第２群のｎ対の受光素子による位相情報を全て有する。したがって、この光電式エンコーダでは、発光や移動体等による周期変動が抑制され、有益である。この結果、さらに安定した高精度の位相差やデューティ比が得られ、さらに高分解能の出力信号が得られる。

一実施形態の光電式エンコーダでは、
上記第１群の第１中間出力信号から第ｋ中間出力信号までのｋ個の中間出力信号を、それぞれその中間出力信号の反転相と比較して、それぞれＡＤ変換を行う第１群用のｋ個のＡＤ変換器と、
上記第１群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第１の出力信号を求める排他的論理和回路と、
上記第２群の第１中間出力信号から第ｋ中間出力信号までのｋ個の中間出力信号を、それぞれその中間出力信号の反転相と比較して、それぞれＡＤ変換を行う第２群用のｋ個のＡＤ変換器と、
上記第２群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第２の出力信号を求める排他的論理和回路とを備えることを特徴とする。

この一実施形態の光電式エンコーダでは、上記第１群用のｋ個のＡＤ変換器、第２群用のｋ個のＡＤ変換器によって、それぞれ位相変動の小さいデジタル信号が得られ、有益である。しかも、上記第１群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第１の出力信号を求めるとともに、上記第２群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第２の出力信号を求めている。したがって、上記第１、第２の出力信号としてｋ倍の分解能の高い信号が出力される。

この発明の電子機器は、上記光電式エンコーダを備えた電子機器である。

この発明の電子機器では、上記光電式エンコーダの出力位相差の精度が向上するので、高分解能の出力が可能となる。したがって、高精度の動作が可能となり、有益である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１０は一実施形態の光透過型の光電式エンコーダの検出部の断面を示している。この光電式エンコーダでは、略中央に溝１４７を有するケース１４５内の一方の側（図１０において上側）に発光部１４２が収容され、他方の側（図１０において下側）に受光部１４４が収容されている。これにより、発光部１４２と受光部１４４とが対向している。発光部１４２は、リードフレーム１４８のヘッダ部１４８ａに発光素子としての半導体発光チップ１４１を搭載し、それを透明樹脂１５２で封じて構成されている。受光部１４４は、リードフレーム１４９のヘッダ部１４９ａに複数の受光素子を含む半導体受光チップ１０を搭載し、それを透明樹脂１５４で封じて構成されている。半導体発光チップ１４１と半導体受光チップ１０とを結ぶ光軸１５０上における発光部１４２の前には、発光部１４２の照射光を平行化するためのコリメーティングレンズ１４６が配置されている。溝１４７内には、光オン部としての複数の光透過部（集合的に符号Ｘで表す。）が設けられた円板状の移動体４０が挿入されている。

動作時には、この移動体４０は、光軸１５０に平行な中心軸の周りに一定速度で回転される。リードフレーム１４８を通して発光チップ１４１に通電がなされ、発光チップ１４１が発光し、コリメーティングレンズ１４６を介して光軸１５０に沿って光が出射される。受光チップ１０は、移動体４０の光透過部Ｘを通して入射した光を光電変換して、入射光量に応じた信号を出力する。受光チップ１０の出力は、後述するような回路によって処理される。

以下の例では、受光チップ１０は、半導体基板上に形成された複数の受光素子を有するものとする。具体的には、図示しない半導体基板上に形成されたエピタキシャル層が、そのエピタキシャル層の導電型（例えばｎ型）と異なる導電型（例えばｐ型）をもつ所定のパターン幅寸法の分離拡散領域（図示せず）によって格子状に区画されている。上記複数の受光素子は、その分離拡散領域によって区画されたエピタキシャル層の表面に、互いに電気的に分離された状態で形成されている。

図１中の上段には、移動体４０の光透過部Ｘ１，Ｘ２，…が設けられた部分を、板面に対して垂直に見たところを模式的に示している。光透過部Ｘ１，Ｘ２，…は、上述のように受光素子に光を入射させる光オン部に相当する。光透過部Ｘ１，Ｘ２，…の間に相当する部分は、受光素子に光を入射させない光オフ部としての光遮断部Ｙ１，Ｙ２，…を構成している。なお、図１では、移動体４０の回転方向Ｄは近似的に直線として表されている。移動体４０は、回転方向Ｄに沿って、光透過部Ｘ１，Ｘ２，…と光遮断部Ｙ１，Ｙ２，…とを交互に一定ピッチＰで有している。光透過部Ｘ１，Ｘ２，…と光遮断部Ｙ１，Ｙ２，…とは回転方向Ｄに関して同じ１／２ピッチ（つまり、Ｐ／２）の寸法をもっている。

図１中の１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅは、それぞれ既述の受光チップ１０の表面における受光素子ＰＤの様々な配置例を模式的に示している。ここで、受光チップ１０の表面を、回転方向Ｄに関して、移動体４０の光透過部と光遮断部のピッチＰに対応した１ピッチ領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，…毎に区分するものとする。

配置例１０Ａでは、１ピッチ領域毎に８個の受光素子ＰＤが一定のピッチ（１／８ピッチ（つまり、Ｐ／８））で配置されている。各受光素子ＰＤは、同じ矩形パターンに形成され、回転方向Ｄに関して１／１６ピッチ（つまり、Ｐ／１６）の寸法をもっている。したがって、この例では、受光素子ＰＤ同士の間に実質的に１／１６ピッチの隙間が生じている。なお、図中に示す符号Ａ１＋，Ａ２＋，Ａ３＋，Ａ４＋，Ａ１−，Ａ２−，Ａ３−，Ａ４−は、各受光素子ＰＤの出力信号を、その受光素子ＰＤがもつ空間的位相に応じて識別するための符号である。これに対応して、各受光素子を適宜、ＰＤＡ１＋，ＰＤＡ２＋，ＰＤＡ３＋，ＰＤＡ４＋，ＰＤＡ１−，ＰＤＡ２−，ＰＤＡ３−，ＰＤＡ４−のように呼ぶ（他の配置例１０Ｂ〜１０Ｅでも同様。）。

動作時に、移動体４０が上述のように一定速度で回転されると、回転方向Ｄに沿って、光透過部Ｘ１，Ｘ２，…と光オフ部Ｙ１，Ｙ２，…とは、各受光素子ＰＤＡ１＋，ＰＤＡ２＋，…，ＰＤＡ４−に対して一定の移動周波数（これをｆとする。）で交互に通過する状態になる。なお、移動周波数ｆのカウントにあたっては、個々の光透過部Ｘ１，Ｘ２，…を区別せず、いずれの光透過部Ｘ１，Ｘ２，…が通過しても１回とカウントするものとする。各受光素子ＰＤＡ１＋，ＰＤＡ２＋，…，ＰＤＡ４−は、それぞれ入射光を光電変換して、移動周波数ｆに応じた周期的波形をもつ信号Ａ１＋，Ａ２＋，…，Ａ４−を出力する。各受光素子の配置に応じて、信号Ａ１＋とＡ１−とは互いに位相が１８０°だけ異なり、信号Ａ２＋とＡ２−とは互いに位相が１８０°だけ異なり、信号Ａ３＋とＡ３−とは互いに位相が１８０°だけ異なり、信号Ａ４＋とＡ４−とは互いに位相が１８０°だけ異なっている（他の配置例１０Ｂ〜１０Ｅでも同様。）。

次の配置例１０Ｂでは、上の配置例１０Ａと同様に、１ピッチ領域毎に８個の受光素子ＰＤが一定のピッチ（１／８ピッチ（つまり、Ｐ／８））で配置されている。各受光素子ＰＤは、同じ矩形パターンに形成され、回転方向Ｄに関して１／８ピッチ（つまり、Ｐ／８）の寸法をもっている。したがって、この例では、受光素子ＰＤ同士の間には、既述の分離拡散領域を無視すると、実質的に隙間が存在しない。

次の配置例１０Ｃでは、３ピッチ領域毎に８個の受光素子ＰＤが一定のピッチ（３／８ピッチ（つまり、３Ｐ／８））で配置されている。各受光素子ＰＤは、同じ矩形パターンに形成され、回転方向Ｄに関して１／４ピッチ（つまり、Ｐ／４）の寸法をもっている。したがって、この例では、受光素子ＰＤ同士の間に１／８ピッチの隙間が生じている。

次の配置例１０Ｄでは、上の配置例１０Ｃと同様に、３ピッチ領域毎に８個の受光素子ＰＤが一定のピッチ（３／８ピッチ（つまり、３Ｐ／８））で配置されている。各受光素子ＰＤは、同じ矩形パターンに形成され、回転方向Ｄに関して１／４ピッチ（つまり、Ｐ／４）の寸法をもっている。したがって、この例では、受光素子ＰＤ同士の間には、既述の分離拡散領域を無視すると、実質的に隙間が存在しない。

配置例１０Ｅでは、１ピッチ領域毎に１６個の受光素子ＰＤが一定のピッチ（１／１６ピッチ（つまり、Ｐ／１６））で配置されている。各受光素子ＰＤは、同じ矩形パターンに形成され、回転方向Ｄに関して１／１６ピッチ（つまり、Ｐ／１６）の寸法をもっている。したがって、この例では、受光素子ＰＤ同士の間には、既述の分離拡散領域を無視すると、実質的に隙間が存在しない。

（第１の回路例）
図２は、受光チップ１０の表面における受光素子ＰＤの配置が図１中の配置例１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄのいずれかである場合において、受光素子ＰＤＡ１＋，ＰＤＡ２＋，…，ＰＤＡ４−が出力した信号を処理する回路（等価回路）を示している。この回路は、減算器２１、２２、２３、２４と、加算器３１、３２とを含んでいる。

減算器２１、２２、２３、２４は、それぞれ互いに位相が１８０°だけ異なる信号Ａ１＋とＡ１−；Ａ２＋とＡ２−；Ａ３＋とＡ３−；Ａ４＋とＡ４−の差分をとってそれぞれの差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）、（Ａ２＋−Ａ２−）、（Ａ３＋−Ａ３−）、（Ａ４＋−Ａ４−）を求める。このように互いに１８０°位相の異なる出力同士の差分をそれぞれ減算器２１、２２、２３、２４によって取るため、最もＳＮ比の優れた出力振幅を得ることができる。この理由は、各受光素子ＰＤが出力する受光電流は微小であるため、互いに１８０°位相の異なる出力同士の差分を取って増幅することで最も出力振幅が大きくなるからである。

減算器２１、２２、２３、２４が求めた差分信号は、回転方向Ｄに関する受光素子ＰＤの配置順に応じて交互に、第１群の差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）、（Ａ３＋−Ａ３−）と、第２群の差分信号（Ａ２＋−Ａ２−）、（Ａ４＋−Ａ４−）とに分類されている。図２では、上半分に第１群の差分信号、下半分に第２群の差分信号が示されている。

そして、第１群の第１差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）から第２差分信号（Ａ３＋−Ａ３−）までの２個の差分信号を、加算器３１が加算して第１群の中間出力信号としての第１出力Ｊ１を求める。これとともに、第２群の第１差分信号（Ａ２＋−Ａ２−）から第２差分信号（Ａ４＋−Ａ４−）までの２個の差分信号を、加算器３２が加算して第２群の中間出力信号としての第２出力Ｊ２を求める。したがって、発光や移動体等による光学的なばらつきが存在しても、第１出力Ｊ１と第２出力Ｊ２との間の位相差やデューティ比の変動が平均化されて小さくなる。したがって、この光電式エンコーダでは、安定した高精度の位相差やデューティ比が得られ、高分解能の出力信号が得られる。

上述の各受光素子ＰＤの出力はアナログ信号であるから、図２中の第１出力Ｊ１と第２出力Ｊ２とは、光学ばらつきによる位相変動を含んでいる。そこで、図４に示すように、第１出力Ｊ１、第２出力Ｊ２をそれぞれＡＤ変換器４１、４２によってそれぞれの反転相と比較してＡＤ変換を行うのが望ましい。図４中の第１出力Ｊ１′、第２出力Ｊ２′はそれぞれＡＤ変換後のデジタル信号を表している。このようにした場合、位相変動の小さいデジタル信号が得られ、有益である。

図８（Ａ）は、従来の光電式エンコーダにおける回路（特許文献１（実開平７−１２９２４号公報）参照。）で得られる中間出力信号同士の位相差を示し、図８（Ｂ）は、この実施形態の回路（第１の回路例）で得られる中間出力信号同士の位相差を示している。いずれの例でも、受光チップ１０の表面における受光素子ＰＤの配置は、図１中に示した配置例１０Ｂであるものとする。図８（Ａ）の従来例では、回転方向Ｄに関して連続して４個並ぶ受光素子の出力を加算している。例えば或る中間出力信号は、図８（Ａ）の上半分に実線で示すように信号Ａ１＋、Ａ２＋、Ａ３＋、Ａ４＋を加算したものであり、それに続く位相をもつ中間出力信号は、図８（Ａ）の上半分に破線で示すようにＡ２＋、Ａ３＋、Ａ４＋、Ａ１−を加算したものである。つまり、中間出力信号同士の位相差は、Ａ１＋の位相とＡ１−の位相との間の差で決まる。これに対して、第１の回路例では、中間出力信号同士の位相差は、図８（Ｂ）の上半分に実線で示す（Ａ１＋＋Ａ３＋）の位相と図８（Ｂ）の上半分に破線で示す（Ａ２＋＋Ａ４＋）の位相との間の差で決まる。光学ばらつきは受光素子間距離が近いほど軽減できるため、反転相ではなく隣に配置された受光素子の差で位相差が決定される方が、ばらつきが軽減され有益である。

（第２の回路例）
図３は、受光チップ１０の表面における受光素子ＰＤの配置が図１中の配置例１０Ｅである場合において、受光素子ＰＤＡ１＋，ＰＤＡ２＋，…，ＰＤＡ８−が出力した信号を処理する回路（等価回路）を示している。この回路は、減算器２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８と、加算器３５、３６とを含んでいる。

減算器２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８は、それぞれ互いに位相が１８０°だけ異なる信号Ａ１＋とＡ１−；Ａ２＋とＡ２−；Ａ３＋とＡ３−；Ａ４＋とＡ４−；Ａ５＋とＡ５−；Ａ６＋とＡ６−；Ａ７＋とＡ７−；Ａ８＋とＡ８−の差分をとってそれぞれの差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）、（Ａ２＋−Ａ２−）、（Ａ３＋−Ａ３−）、（Ａ４＋−Ａ４−）、（Ａ５＋−Ａ５−）、（Ａ６＋−Ａ６−）、（Ａ７＋−Ａ７−）、（Ａ８＋−Ａ８−）を求める。このように互いに１８０°位相の異なる出力同士の差分をそれぞれ減算器２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８によって取るため、第１の回路例に関して述べたのと同様に、最もＳＮ比の優れた出力振幅を得ることができる。

減算器２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８が求めた差分信号は、回転方向Ｄに関する受光素子ＰＤの配置順に応じて交互に、第１群の差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）、（Ａ３＋−Ａ３−）、（Ａ５＋−Ａ５−）、（Ａ７＋−Ａ７−）と、第２群の差分信号（Ａ２＋−Ａ２−）、（Ａ４＋−Ａ４−）、（Ａ６＋−Ａ６−）、（Ａ８＋−Ａ８−）とに分類されている。図３では、上半分に第１群の差分信号、下半分に第２群の差分信号が示されている。

そして、第１群の第１差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）から第４差分信号（Ａ７＋−Ａ７−）までの４個の差分信号を、加算器３５が加算して第１群の中間出力信号としての第１出力Ｊ１１を求める。これとともに、第２群の第１差分信号（Ａ２＋−Ａ２−）から第４差分信号（Ａ８＋−Ａ８−）までの４個の差分信号を、加算器３６が加算して第２群の中間出力信号としての第２出力Ｊ１２を求める。したがって、発光や移動体等による光学的なばらつきが存在しても、第１出力Ｊ１１と第２出力Ｊ１２との間の位相差やデューティ比の変動が平均化されて小さくなる。したがって、この光電式エンコーダでは、安定した高精度の位相差やデューティ比が得られ、高分解能の出力信号が得られる。

上述の各受光素子ＰＤの出力はアナログ信号であるから、図３中の第１出力Ｊ１１と第２出力Ｊ１２とは、光学ばらつきによる位相変動を含んでいる。そこで、図５に示すように、第１出力Ｊ１１、第２出力Ｊ１２をそれぞれＡＤ変換器４３、４４によってそれぞれの反転相と比較してＡＤ変換を行うのが望ましい。図５中の第１出力Ｊ１１′、第２出力Ｊ１２′はそれぞれＡＤ変換後のデジタル信号を表している。このようにした場合、位相変動の小さいデジタル信号が得られ、有益である。

上述の第１、第２の回路例を一般化すると、次のような処理を行う回路となる。

第１群の差分信号に関して、ａを２以上の偶数、ｍを２以上の整数としたとき、左端に配置された基準の受光素子ＰＤＡ１＋対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、右端側へａ番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第ｍ差分信号までをそれぞれ減算器によって求める。第１群の第１差分信号から第ｍ差分信号までのｍ個の差分信号を、加算器によって加算して第１群の中間出力信号を求める。これとともに、ｎを２以上の整数としたとき、上記基準の受光素子ＰＤＡ１＋に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、右端側へ（ａ＋１）番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第ｎ差分信号までをそれぞれ減算器によって求める。第２群の第１差分信号から第ｎ差分信号までのｎ個の差分信号を、加算器によって加算して第２群の中間出力信号を求める。

この一般化された回路において、上記第１の回路例は、ａ＝２、ｍ＝２、ｎ＝２の場合に相当する。また、上記第２の回路例は、ａ＝６、ｍ＝４、ｎ＝４の場合に相当する。

なお、上記ｍとｎとは等しいことが望ましい。その場合、第１群の中間出力信号と第２群の中間出力信号との間の位相差の変動が最小になる。

また、上記複数の受光素子の上記一方向に関する間隔はいずれも等しいことが望ましい。その場合、第１群の中間出力信号と第２群の中間出力信号との間の位相差の変動が、さらに平均化される。したがって、さらに安定した高精度の位相差やデューティ比が得られ、さらに高分解能の出力信号が得られる。

（第３の回路例）
図６は、受光チップ１０の表面における受光素子ＰＤの配置が図１中の配置例１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄのいずれかである場合において、受光素子ＰＤＡ１＋，ＰＤＡ２＋，…，ＰＤＡ４−が出力した信号を処理する別の回路（等価回路）を示している。この回路は、減算器５１、５２、５３、５４と、加算器６１、６２、６３、６４とを含んでいる。

減算器５１、５２、５３、５４は、第１の回路例における減算器２１、２２、２３、２４と同様に、それぞれ互いに位相が１８０°だけ異なる信号Ａ１＋とＡ１−；Ａ２＋とＡ２−；Ａ３＋とＡ３−；Ａ４＋とＡ４−の差分をとってそれぞれの差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）、（Ａ２＋−Ａ２−）、（Ａ３＋−Ａ３−）、（Ａ４＋−Ａ４−）を求める。このように互いに１８０°位相の異なる出力同士の差分をそれぞれ減算器２１、２２、２３、２４によって取るため、第１の回路例に関して述べたのと同様に、最もＳＮ比の優れた出力振幅を得ることができる。

減算器５１、５２、５３、５４が求めた差分信号は、回転方向Ｄに関する受光素子ＰＤの配置順に応じて交互に、第１群の差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）、（Ａ３＋−Ａ３−）と、第２群の差分信号（Ａ２＋−Ａ２−）、（Ａ４＋−Ａ４−）とに分類されている。図６では、上半分に第１群の差分信号、下半分に第２群の差分信号が示されている。

そして、第１群の２個の差分信号のうち、２個分の差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）、（Ａ３＋−Ａ３−）を加算器６１によって加算して、第１群の第１中間出力信号としてのＡ１出力（Ａ１＋−Ａ１−）＋（Ａ３＋−Ａ３−）を求める。

また、第１群の２個の差分信号のうち、１個分の差分信号（Ａ３＋−Ａ３−）の反転相と、１個分の差分信号（Ａ１＋−Ａ１−）とを加算器６２によって加算して、第１群の第２中間出力信号としてのＡ３出力（Ａ１＋−Ａ１−）＋（Ａ３−−Ａ３＋）を求める。

これとともに、第２群の２個の差分信号のうち、２個分の差分信号（Ａ２＋−Ａ２−）、（Ａ４＋−Ａ４−）を加算器６３によって加算して、第２群の第１中間出力信号としてのＡ２出力（Ａ２＋−Ａ２−）＋（Ａ４＋−Ａ４−）を求める。

また、第２群の２個の差分信号のうち、１個分の差分信号（Ａ４＋−Ａ４−）の反転相と、１個分の差分信号（Ａ２＋−Ａ２−）とを加算器６４によって加算して、第２群の第２中間出力信号としてのＡ４出力（Ａ２＋−Ａ２−）＋（Ａ４−−Ａ４＋）を求める。

このようにした場合、第１群の２個の中間出力信号であるＡ１出力、Ａ３出力は、第１群の２対の受光素子による位相情報を全て有する。同様に、第２群の２個の中間出力信号であるＡ２出力、Ａ４出力は、第２群の２対の受光素子による位相情報を全て有する。したがって、この光電式エンコーダでは、発光や移動体等による周期変動が抑制され、有益である。この結果、さらに安定した高精度の位相差やデューティ比が得られ、さらに高分解能の出力信号が得られる。

上述の各受光素子ＰＤの出力はアナログ信号であるから、図６中のＡ１出力、Ａ３出力、Ａ２出力、Ａ４出力は、光学ばらつきによる位相変動を含んでいる。そこで、図７に示すように、これらのＡ１出力、Ａ３出力、Ａ２出力、Ａ４出力をそれぞれＡＤ変換器８１、８２、８３、８４によってそれぞれの反転相と比較してＡＤ変換を行うのが望ましい。このようにした場合、位相変動の小さいデジタル信号が得られ、有益である。

さらに、図７に示すように、ＥＸＯＲ（排他的論理和回路）９１によって、このＡＤ変換後の第１群のＡ１出力、Ａ３出力の排他的論理和を取って、第１の出力信号としての第１出力Ｊ２１を求める。これとともに、ＥＸＯＲ（排他的論理和回路）９２によって、このＡＤ変換後の第２群のＡ２出力、Ａ４出力の排他的論理和を取って、第２の出力信号としての第２出力Ｊ２２を求める。排他的論理和は、論理１である入力の数が奇数、偶数、奇数、…と切り替わることで、出力が論理１、論理０、論理１、…と変化する。したがって、移動体４０の移動周波数ｆよりも２倍高い周波数の出力信号を容易に作成することができる。したがって、移動体４０の移動速度や移動方向等の移動情報をより精密に得ることができる。

なお、図７の上半分におけるＡ１出力及びＡ３出力までに関する部分を具体的にトランジスタ等で表すと、図９Ａおよび図９Ｂに示すような構成となる（なお、図９Ａ中の端子（丸数字１、２、…、８）と図９Ｂ中の端子（丸数字１、２、…、８）とはそれぞれ互いに接続されている。）。

上述の第３の回路例を一般化すると、次のような処理を行う回路となる。

ｋを２以上でｍまたはｎ以下の整数としたとき、第１群の第ｋ中間出力信号までをそれぞれ加算器によって求める。同様に、第２群の第ｋ中間出力信号までをそれぞれ加算器によって求める。第１群の第ｋ中間出力信号とは、第１群のｍ個の差分信号のうち、（ｋ−１）／ｋ個分の反転相と｛ｋ−（ｋ−１）｝／ｋ個分の差分信号を加算したものである。同様に、第２群の第ｋ中間出力信号とは、第２群のｎ個の差分信号のうち、（ｋ−１）／ｋ個分の反転相と｛ｋ−（ｋ−１）｝／ｋ個分の差分信号を加算したものである。

そして、第１群の第１中間出力信号から第ｋ中間出力信号までのｋ個の中間出力信号を、それぞれその中間出力信号の反転相と比較して、それぞれＡＤ変換器によってＡＤ変換を行う。ＥＸＯＲによって、第１群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第１の出力信号を求める。これとともに、第２群の第１中間出力信号から第ｋ中間出力信号までのｋ個の中間出力信号を、それぞれその中間出力信号の反転相と比較して、それぞれＡＤ変換器によってＡＤ変換を行う。ＥＸＯＲによって、第２群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第２の出力信号を求める。

このようにした場合、移動体４０の移動周波数ｆに対して、上記第１、第２の出力信号としてｋ倍の周波数をもつ高分解能の信号が出力される。したがって、移動体４０の移動速度や移動方向等の移動情報をより精密に得ることができる。

この一般化された回路において、上記第３の回路例は、ａ＝２、ｍ＝２、ｎ＝２、ｋ＝２の場合に相当する。なお、ｋ＝２ではなく、仮にｋ＝１とすれば、上記第１の回路例の場合に相当する。

上述の光電式エンコーダを備えた電子機器では、上記光電式エンコーダが互いに位相が異なる複数の信号を高分解能で出力するので、高精度の動作が可能となる。例えば、この光電式エンコーダを備えた電子機器としてのプリンタでは、紙送りの位置や速度、プリントヘッドの行方向での位置などを高精度に検出することが可能となる。

この実施形態では、光電式エンコーダは光透過型であるものとしたが、当然ながらこれに限られるものではなく、光電式エンコーダは光反射型であっても良い。

この発明の一実施形態の光電式エンコーダにおける移動体と受光素子の様々な配置例を模式的に示す図である。 この発明の一実施形態の光電式エンコーダにおいて、受光素子の出力を処理する第１の回路例の構成を示す図である。 この発明の一実施形態の光電式エンコーダにおいて、受光素子の出力を処理する第２の回路例の構成を示す図である。 図２の回路にＡＤ変換器を付加した回路例を示す図である。 図３の回路にＡＤ変換器を付加した回路例を示す図である。 この発明の一実施形態の光電式エンコーダにおいて、受光素子の出力を処理する第３の回路例の構成を示す図である。 図６の回路にＡＤ変換器と排他的論理和回路を付加した回路例を示す図である。 従来例の光電式エンコーダにおける回路の性能と、図２の第１の回路例の性能とを比較して説明する図である。 図７の上半分におけるＡ１出力及びＡ３出力までに関する部分を具体的にトランジスタ等で表した図である。 図７の上半分におけるＡ１出力及びＡ３出力までに関する部分を具体的にトランジスタ等で表した図である。 この発明の一実施形態の光透過型の光電式エンコーダの検出部の断面構造を示す図である。

符号の説明

１０ 半導体受光チップ
ＰＤ 受光素子
４０ 移動体
Ｘ１，Ｘ２，… 光透過部
Ｙ１，Ｙ２，… 光遮断部

Claims (5)

1. 発光素子と、
   上記発光素子からの光が到達し得る領域に、一方向に並べて配置された複数の受光素子と
   を備え、
   上記各受光素子に対応する所定の位置を上記一方向に沿って、上記光が上記受光素子に対して入射する状態、入射しない状態をつくる光オン部および光オフ部を一定ピッチで交互に有する移動体が所定の移動周波数で通過するとき、上記各受光素子の出力は、その受光素子に対して上記発光素子からの光が入射し又は入射しないのに応じた値をとり、
   上記発光素子からの光が到達し得る上記領域を、上記一方向に関して、上記移動体の上記光オン部と光オフ部のピッチに対応した１ピッチ領域毎に区分したとき、上記複数の受光素子はそれぞれ空間的位相をもち、
   上記複数の受光素子のうち上記一方向に関して一端に配置された受光素子を基準とし、上記基準の受光素子と、この基準の受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第１差分信号を求める減算器と、
   上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ２番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第２差分信号を求める減算器と、
   上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ４番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第３差分信号を求める減算器と、
   ａを２以上の偶数、ｍを２以上の整数としたとき、上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へａ番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第１群の第ｍ差分信号までをそれぞれ求める減算器と、
   上記第１群の第１差分信号から第ｍ差分信号までのｍ個の差分信号を加算して第１群の中間出力信号を求める加算器とを備えるとともに、
   上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ１番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第１差分信号を求める減算器と、
   上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ３番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第２差分信号を求める減算器と、
   上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ５番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第３差分信号を求める減算器と、
   ｎを２以上の整数としたとき、上記基準の受光素子に対して１８０°未満の或る位相差ずれて配置されている複数の受光素子のうち、上記一方向に関して他端側へ（ａ＋１）番目に配置された受光素子と、この受光素子に対して１８０°だけずれた空間的位相をもつ受光素子との出力同士の差分を取って第２群の第ｎ差分信号までをそれぞれ求める減算器と、
   上記第２群の第１差分信号から第ｎ差分信号までのｎ個の差分信号を加算して第２群の中間出力信号を求める加算器とを備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 請求項１に記載の光電式エンコーダおいて、
   上記第１群の中間出力信号をこの中間出力信号の反転相と比較して、ＡＤ変換を行うＡＤ変換器と、
   上記第２群の中間出力信号をこの中間出力信号の反転相と比較して、ＡＤ変換を行うＡＤ変換器とを備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
3. 請求項１に記載の光電式エンコーダおいて、
   ｋを２以上でｍまたはｎ以下の整数としたとき、
   上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、０／ｋ個分の反転相と（ｋ−０）／ｋ個分の差分信号を加算して第１群の第１中間出力信号を求める加算器と、
   上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、１／ｋ個分の反転相と（ｋ−１）／ｋ個分の差分信号を加算して第１群の第２中間出力信号を求める加算器と、
   上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、２／ｋ個分の反転相と（ｋ−２）／ｋ個分の差分信号を加算して上記第１群の第３中間出力信号を求める加算器と、
   上記第１群の上記ｍ個の差分信号のうち、（ｋ−１）／ｋ個分の反転相と｛ｋ−（ｋ−１）｝／ｋ個分の差分信号を加算して第１群の第ｋ中間出力信号までをそれぞれ求める加算器とを備えるとともに、
   上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、０／ｋ個分の反転相と（ｋ−０）／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第１中間出力信号を求める加算器と、
   上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、１／ｋ個分の反転相と（ｋ−１）／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第２中間出力信号を求める加算器と、
   上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、２／ｋ個分の反転相と（ｋ−２）／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第３中間出力信号を求める加算器と、
   上記第２群の上記ｎ個の差分信号のうち、（ｋ−１）／ｋ個分の反転相と｛ｋ−（ｋ−１）｝／ｋ個分の差分信号を加算して第２群の第ｋ中間出力信号を求める加算器とを備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
4. 請求項３に記載の光電式エンコーダにおいて、
   上記第１群の第１中間出力信号から第ｋ中間出力信号までのｋ個の中間出力信号を、それぞれその中間出力信号の反転相と比較して、それぞれＡＤ変換を行う第１群用のｋ個のＡＤ変換器と、
   上記第１群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第１の出力信号を求める排他的論理和回路と、
   上記第２群の第１中間出力信号から第ｋ中間出力信号までのｋ個の中間出力信号を、それぞれその中間出力信号の反転相と比較して、それぞれＡＤ変換を行う第２群用のｋ個のＡＤ変換器と、
   上記第２群用のｋ個のＡＤ変換器の出力の排他的論理和を取って第２の出力信号を求める排他的論理和回路とを備えることを特徴とする光電式エンコーダ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光電式エンコーダを備えた電子機器。
   

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