JP4054817B2 - 光学式エンコーダおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

光学式エンコーダおよびそれを用いた電子機器 Download PDF

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Description

この発明は、発光素子および受光素子を用いて移動体の位置,移動速度および移動方向等を検出する光学式エンコーダに関し、特に複写機やプリンター等の印刷機器およびＦＡ(ファクトリ・オートメーション)機器等の電子記機器に用いると好適な光学式エンコーダに関する。
従来より、この種の光学式エンコーダとして、移動体とフォトダイオードとに図４に示すような位置関係を有するものがある(特許文献１(特開２００１‐９９６８４号公報)参照)。この光学式エンコーダにおいては、移動体１に設けられた３つのスリット２a〜２cに対して４つのフォトダイオード３a〜３dを配置してなるスリット２とフォトダイオード３とのセットを複数セット配置して、４つの光変調信号を読み取るようにしている。
すなわち、上記移動体１には配列ピッチＰで複数のスリット２を穿設する。また、(１/２)Ｐの幅の４つのフォトダイオード３a〜３dを、(３/４)Ｐのピッチ(電気角２７０度)で配置する。こうして、各フォトダイオード３a〜３dの間には(１/４)Ｐの間隔を設けている。そして、発光部(図示せず)とフォトダイオード３とに対して移動体１が移動した場合に、各フォトダイオード３a〜３dはスリット２を通過した上記発光部からの光を受光し、４つのフォトダイオード３a〜３dから、独立した４つの光変調信号(つまり、移動情報信号)Ａ＋,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ−が出力される。
ところで、上記移動体１の移動情報を光学式エンコーダで読み取る場合には、上記発光部の光源から各フォトダイオード３a〜３dに入射される光は、各フォトダイオード３a〜３dの受光面に対して均等な光量分布を持つのが理想的である。この場合には、移動体１の移動情報のみを正確に光変調信号として読み取ることが可能になる。
しかしながら、実際には、上記光源自体の光量分布のばらつき、光源の集光レンズに起因する光量分布のばらつき、移動体１等による回折光,屈折光,反射光の存在、移動体１と各フォトダイオード３a〜３dの受光面との平行性等の位置関係ばらつき、スリット２のサイズばらつき、光源,移動体１,フォトダイオード３の受光面の汚れ等によるばらつき、移動体１の移動速度の変化に対する受光感度のばらつき等が存在するため、各フォトダイオード３a〜３dから得られる複数の移動情報信号は、信号間ＤＣ電圧オフセット,信号間振幅ばらつき,波形の歪み,信号間位相ばらつき等を持ち、得られる移動情報が正確ではなくなってしまうという問題がある。
そこで、上記特許文献１による移動体１の位置,移動速度および移動方向等の検出を高精度にするために、移動体とフォトダイオードとの間に図５に示すような位置関係を有する光学式エンコーダが提案されている。この光学式エンコーダにおいては、上記特許文献１における各フォトダイオード３の夫々を、複数のフォトダイオードに分割して再配列している。すなわち、上記特許文献１における各フォトダイオード３を、図４において分割される前の４つのフォトダイオード３a〜３dに対向している移動体１１のスリット１２の数をｍとし、上記移動情報信号の数をｎとした場合、「ｍ」と「ｎ」との公倍数「ｋ」を「ｎ」で除算した値「ｋ/ｎ」である「ｘ」個に等分割し、得られたフォトダイオード１３をｋ個だけ配置する。そして、このｋ個のフォトダイオード１３がｎ個の独立した移動情報信号を出力するように、各フォトダイオード１３の出力端子が接続されている。
例えば、ｍ＝３,ｎ＝４,ｋ＝１２である場合には、上記特許文献１におけるフォトダイオード３を等分割する数ｘはｘ＝３となる。そこで、複数のフォトダイオード１３で成る受光部を、上記特許文献１における各フォトダイオード３を３個に等分割してなるフォトダイオード１３を１２個配列して構成する。したがって、フォトダイオード１３の受光面における移動体１１の進行方向への長さは上記特許文献１におけるフォトダイオード３の受光面の長さの３分の１となる。そして、３個のフォトダイオード１３a1,１３b1,１３c1の出力端子が共通に接続され、３個のフォトダイオード１３a2,１３b2,１３c2の出力端子が共通に接続されている。また、３個のフォトダイオード１３a3,１３b3,１３c3の出力端子が共通に接続され、３個のフォトダイオード１３a4,１３b4,１３c4の出力端子が共通に接続されている。この接続によって、上記受光部は、４個の独立した高精度光変調信号である移動情報信号Ａ＋,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ−を出力するのである。
このように、図５に示す光学式エンコーダによれば、上記特許文献１における光学式エンコーダに対して、各フォトダイオード１３を細分化して各フォトダイオード１３の受光面積を絞ることができる。したがって、上記受光部から得られる移動情報信号のずれ,波形の歪み,位相のばらつき等を抑えることができ、分解能を上げることができ、正確な移動情報を得ることができるのである。
図６は、図５に示す光学式エンコーダを用いた場合の光感度の実測結果である。図６によれば、図７に示す上記特許文献１における光学式エンコーダを用いた場合の光感度の実測結果に比して、位相差,振幅およびオフセットが改善されていることが分かる。
このように、図５に示す光学式エンコーダによれば、位相差,振幅およびオフセットを改善することができる。しかしながら、図５に示す光学式エンコーダにおいては、図６から分かるように、オフセットが完全に無くなった分けではなく、ＳＮ比も十分ではない。そのために、さらに高精度なフォトダイオードを有する光学式エンコーダが必要であるという問題がある。
また、光学式エンコーダの価格を安価にするために光量分布のばらつきが大きい光源を用いた場合には、当然ながら上記受光部側でのばらつきも大きくなる。そのために、小型の光学式エンコーダを作成する場合には十分なレンズ集光が得られず、平行光ではない光を受光することになる。さらに、移動体１１におけるスリット１２の幅が大きい場合には光の回り込みも大きくなり、十分な分解能が得られなくなる。そのために、限り無くばらつきに強いフォトダイオードが必要なのである。
特開２００１‐９９６８４号公報
そこで、この発明の課題は、受光部から得られる移動情報信号のずれ,波形の歪み,位相のばらつき等を抑えてより正確な移動情報が得られる光学式エンコーダを提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の光学式エンコーダは、
光透過部あるいは光反射部からなる光伝達部と光遮光部とが、等幅を有して等間隔に交互に配列されて上記光伝達部と光遮光部とで３６０度の位相区間を形成する移動体と、
上記移動体に向って光を出射する発光手段と、
上記発光手段から出射された光を、上記移動体の上記光伝達部を介して受ける受光手段と、
上記移動体の動きに応じて変化する上記受光手段が受ける上記光の変化量に基づいて、上記移動体の移動情報を表す上記移動体に対して位相が順次９０度毎の位相差を有する４つの移動情報信号を生成して出力する移動情報信号生成手段と
を備え、
上記受光手段は、４×３ n (ｎは２以上の整数)個のフォトダイオードからなり、
上記４×３ n 個のフォトダイオードは、夫々４×３ (n-1) 個の互いに隣り合った上記フォトダイオードからなる３つのフォトダイオード群を構成し、
上記４×３ n 個のフォトダイオードは、上記各移動情報信号毎に、１８０度/３ n の位相区間幅で且つ位相が順次１８０度/３ n 毎の位相差で上記移動体を検出する３ n 個ずつの上記フォトダイオードに分けられ、
上記４つの移動情報信号の夫々を生成するための上記３ n 個の上記フォトダイオードは上記３つのフォトダイオード群に均等数で配置され、
上記移動情報信号生成手段は、上記各移動情報信号毎に上記３つのフォトダイオード群に配置された上記３ n 個のフォトダイオードの出力信号を加算し、上記４つの移動情報信号とする
ことを特徴としている。
上記構成によれば、３つの群に分けて配置されて上記受光手段を構成する複数のフォトダイオードは、上記光伝達部が設けられた移動体の移動情報を表す移動情報信号の個数と上記フォトダイオード群の個数の乗羃との積で表される個数だけ在る。したがって、上記複数のフォトダイオードの個数は必ず上記移動情報信号の個数で割り切れることになり、総てのフォトダイオードは各移動情報信号に対して同数ずつ均等に割り当てられる。さらに、上記複数のフォトダイオードの個数は必ず上記フォトダイオード群の個数で割り切れることになり、総てのフォトダイオードは各フォトダイオード群に対して同数ずつ均等に割り当てられる。
さらに、上記受光手段を構成するフォトダイオードは、上記フォトダイオード群の個数と上記移動情報信号の個数との公倍数で表される個数だけフォトダイオードが在る図５に示す光学式エンコーダの場合よりも細分化されており、上記各領域に対してより均等に割り当て配列することができると共に、各フォトダイオードの受光面積が絞られて上記移動情報信号のずれ,波形の歪み,位相のばらつき等を抑え、分解性能を上げ、正確な移動情報信号を得ることができるのである。
また、１実施の形態の光学式エンコーダでは、
上記３つのフォトダイオード群において、上記４つの移動情報信号の夫々を生成するためのフォトダイオードは、同じ順序で配列されている。
また、１実施の形態の光学式エンコーダでは、
上記移動体における上記光伝達部の配列間隔を１ピッチとすると、
互いに隣接する２つの上記フォトダイオード群に族するフォトダイオードにおいて、一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードと上記他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで上記一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードとの間隔(以下、単にフォトダイオード群の間隔と言う)、および、同一のフォトダイオード群に族するフォトダイオードにおける互いに隣接する２つのフォトダイオードの間隔は、上記互いに独立した移動情報信号の個数４と上記フォトダイオード群の個数３の乗羃との積で上記ピッチを除した値となっている。
この実施の形態によれば、上記各フォトダイオード群および一つのフォトダイオード群に属する各フォトダイオードは、上記フォトダイオード群の個数の乗羃に反比例した間隔で均等に配列される。したがって、上記受光手段を構成するフォトダイオードは、上記各フォトダイオード群に対してさらに均等に割り当て配列することができ、さらに正確な移動情報信号を得ることができる。
また、１実施の形態の光学式エンコーダでは、
上記移動情報信号の個数は４個であり、
上記フォトダイオード群の個数は３個であり、
上記乗羃は２乗であり、
上記フォトダイオードの幅は(１/１８)×ピッチであり、
上記互いに隣接する２つの上記フォトダイオード群に族するフォトダイオードにおいて、一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードと上記他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで上記一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードとの間隔は、(１/１２)×ピッチであり、
上記同一のフォトダイオード群に族するフォトダイオードにおける互いに隣接する２つのフォトダイオードの間隔は、(１/３６)×ピッチである。
この実施の形態によれば、上記受光部は、上記４個の移動情報信号および上記３個のフォトダイオード群に対して３６(＝４×３2)個のフォトダイオードを有して、各フォトダイオード群は(１/１２)×ピッチの間隔で配置され、同一のフォトダイオード群に属する各フォトダイオードは(１/３６)×ピッチの間隔で配置されている。したがって、上記３６個のフォトダイオードを、上記３個のフォトダイオード群の夫々に対して、１２個ずつバランス良く割り当てて配列することができる。
また、１実施の形態の光学式エンコーダでは、
上記移動情報信号の個数は４個であり、
上記フォトダイオード群の個数は３個であり、
上記乗羃は３乗であり、
上記フォトダイオードの幅は(１/５４)×ピッチであり、
上記互いに隣接する２つの上記フォトダイオード群に族するフォトダイオードにおいて、一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードと上記他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで上記一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードとの間隔は、(１/３６)×ピッチであり、
上記同一のフォトダイオード群に族するフォトダイオードにおける互いに隣接する２つのフォトダイオードの間隔は、(１/１０８)×ピッチである。
この実施の形態によれば、上記受光部は、上記４個の移動情報信号および上記３個のフォトダイオード群に対して１０８(＝４×３3)個のフォトダイオードを有して、各フォトダイオード群は(１/３６)×ピッチの間隔で配置され、同一のフォトダイオード群に属する各フォトダイオードは(１/１０８)×ピッチの間隔で配置されている。したがって、上記１０８個のフォトダイオードを、上記３個のフォトダイオード群の夫々に対して、３６個ずつバランス良く割り当てて配列することができる。
さらに、上記乗羃が２乗である場合に比して、フォトダイオードの更なる細分化が図られている。したがって、総てのフォトダイオードを、各移動情報信号および各フォトダイオード群に対して、上記乗羃が２乗である場合よりも更に均等に割り当てることができる。したがって、上記移動情報信号のずれ,波形の歪み,位相のばらつき等を抑え、分解性能を上げ、更に正確な移動情報信号を得ることができるのである。
また、１実施の形態の光学式エンコーダでは、
上記移動体における上記光伝達部の配列間隔を１ピッチとして、
上記夫々のフォトダイオード群に族する複数のフォトダイオードに関して、
上記フォトダイオード群の一端から奇数番目に配置されているフォトダイオードを第１フォトダイオードとする一方、偶数番目に配置されているフォトダイオードを第２フォトダイオードとし、
さらに、
上記第１フォトダイオードのうち、上記一端から(１/２)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第１Ａフォトダイオードとする一方、上記一端とは反対側の他端から(１/２)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第１Ｂフォトダイオードとし、
上記第２フォトダイオードのうち、上記一端から(１/４)×ピッチおよび上記他端から(１/４)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第２Ａフォトダイオードとする一方、上記一端から(１/４)×ピッチと上記他端から(１/４)×ピッチとの間の中央(１/２)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第２Ｂフォトダイオードと
した場合に、
上記移動情報信号生成手段は、上記第１Ａ,第１Ｂ,第２Ａおよび第２Ｂフォトダイオードの４種類のフォトダイオードからの受光量の変化量を表す信号に基づいて、上記移動体の移動情報を表す互いに独立した４個の移動情報信号を生成して出力するようになっている。
この実施の形態によれば、上記各フォトダイオード群において、上記一端から奇数番目に在って上記一端から(１/２)×ピッチに配列されている総ての第１Ａフォトダイオードからの出力を加算し、上記一端から奇数番目に在って上記他端から(１/２)×ピッチに配列されている総ての第１Ｂフォトダイオードからの出力を加算し、上記一端から偶数番目に在って上記一端から(１/４)×ピッチおよび上記他端から(１/４)×ピッチに配列されている総ての第２Ａフォトダイオードからの出力を加算し、上記一端から偶数番目に在って上記一端から(１/４)×ピッチと上記他端から(１/４)×ピッチとの間の中央(１/２)×ピッチに配列されている総ての第２Ｂフォトダイオードからの出力を加算することによって、互いに独立した４個の移動情報信号を生成することができる。
また、この発明の電子機器は、上記光学式エンコーダを備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、移動する箇所に設けられた上記移動体の移動情報を正確に表す移動情報信号を得ることができる。
以上より明らかなように、この発明の光学式エンコーダは、３つの群に分けて配置されて、上記受光手段を構成する複数のフォトダイオードは、上記移動体の移動情報を表す移動情報信号の個数と上記フォトダイオード群の個数の乗羃との積で表される個数だけ在るので、上記複数のフォトダイオードの個数は必ず上記移動情報信号の個数および上記フォトダイオード群の個数で割り切れる。したがって、総てのフォトダイオードは、上記フォトダイオード群に対して、同数ずつ均等に割り当て配列することができる。また、上記移動情報信号に対しても、同数ずつ均等に割り当て配列することができる。
さらに、上記受光手段を構成するフォトダイオードは、上記フォトダイオード群の個数と上記移動情報信号の個数との公倍数で表される個数のフォトダイオードを有する図５に示す光学式エンコーダの場合よりも細分化されており、上記各フォトダイオード群に対してより均等に割り当て配列することができる。それと共に、各フォトダイオードの受光面積が絞られて、上記移動情報信号のずれ,波形の歪み,位相のばらつき等を抑えて分解性能を上げて正確な移動情報信号を得ることができる。
また、この発明の電子機器は、上記光学式エンコーダを備えているので、移動する箇所に設けられた上記移動体の移動情報を正確に表す移動情報信号を得ることができる。
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１は、本実施の形態の光学式エンコーダにおける移動体とフォトダイオードとの位置関係を示す図である。
上記移動体２１は、上記光伝達部としてのスリット２２と上記光遮光部としての光非透過領域２４とが、等幅を有して等間隔に交互に配列されてスリット２２と光非透過領域２４とで３６０度の位相区間を形成している。そして、スリット２２を介して受光するフォトダイオード２３は４×３ n (ｎは２以上の整数)個でなり、上記４×３ n 個のフォトダイオード２３は、夫々４×３ (n-1) 個の互いに隣り合ったフォトダイオード２３からなる３つのフォトダイオード群を構成し、上記４×３ n 個のフォトダイオード２３は、生成される４つの移動情報信号毎に、１８０度/３ n の位相区間幅で且つ位相が順次１８０度/３ n 毎の位相差で移動体２１を検出する３ n 個ずつのフォトダイオード２３に分けられ、上記４つの移動情報信号の夫々を生成するための上記３ n 個の上記フォトダイオード２３は上記３つのフォトダイオード群に均等数で配置されている。
上記図５に示す従来の光学式エンコーダの場合のように、移動情報信号の個数と上記光伝達部としてのスリット１２の個数との公倍数で上記特許文献１におけるフォトダイオードを細分化することによって、エンコーダ特性を向上させることができる。さらに、上記フォトダイオードを細分化して配置する場合には、各スリット１２a〜１２cに対応付けられた３個のフォトダイオード群１３a〜１３cの間隔および同一フォトダイオード群に属する各フォトダイオードの間隔も均等に配置することによって、様々なばらつきを低減することができる。
ここで、上記特許文献１における各フォトダイオードを均等に細分化するためには、図１に示すように、移動体２１に設けられたスリット２２の個数、本実施の形態ではフォトダイオードの群に対向しているスリット２２a,２２b,２２cの個数(すなわちフォトダイオード群の個数)の乗羃で細分化するのが良い。例えば、移動情報信号の個数をＡ＋,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ−の４個とし、スリット２２a,２２b,２２cの個数(以下、単にスリット２２の個数と言う)を「３」とした場合には、上記３個のスリットに対応付けられるフォトダイオード２３の個数を、
４×３2＝３６個、４×３3＝１０８個、４×３4＝３２４個、…
とするのである。これは、フォトダイオード２３に対向しているスリット２２の個数が常に「３」に固定されているため、フォトダイオード２３の個数が上記個数「３」で割り切れる数であれば、必ず各スリット２２に対して同数ずつ均等に配置できるためである。
さらに、上述のように、フォトダイオード２３の総数を上記移動情報信号の個数の倍数にすることによって、フォトダイオード２３の個数が上記移動情報信号の個数「４」で割り切れることになり、必ず各移動情報信号に対して同数ずつ均等に割り当てることができるのである。
また、上記フォトダイオードを細分化するためには、スリット２２の個数と移動情報信号の個数とが、互いに異なる素数であることが必要である。その理由は、例えば、スリット２２の個数が「２」、移動情報信号の個数が「４」のごとく、互いに異なる素数でない場合には、移動情報信号の個数「４」がスリット２２の個数「２」で割り切れる。そのために、フォトダイオードを細分化しても「２」個のスリット２２に対応づけるため再配列する必要が無く、より端的に言うならば細分化する前と同じ位置に配置できるため、各細分化されたフォトダイオード間の間隔を縮小できないためである。これに対し、例えば、スリット２２の個数が「２」、移動情報信号の個数が「３」のごとく、互いに異なる素数の場合には、移動情報信号の個数「３」がスリット２２の個数「２」で割り切れない。そのために、移動情報信号の個数「３」と同じ３個のフォトダイオードを２分割して合計６個のフォトダイオードに細分化して際には、「６」個のフォトダイオードを「２」個のスリット２２に対応づけるためには、「３」個ずつ２組のフォトダイオードに再配列する必要がある。したがって、その再配列の際に、各細分化されたフォトダイオード間の間隔を縮小できるのである。
このようにして上記特許文献１のフォトダイオードを細分化したフォトダイオード２３を複数組縦や横に配置することによって、受光感度が小さい場合には加算が行えるため有効であり、光量ばらつき等が大きい場合にも有効である。
上記細分化されたフォトダイオード２３を配置する場合には、上記複数のフォトダイオード群に対して均等数のフォトダイオード２３を割り当てることによって、均等配置が可能になる。例えば、図１において、１つのスリット２２とこれに隣接する１つの光非透過領域２４とに対向している１つのフォトダイオード群に対して、各移動情報信号Ａ＋,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ−用のフォトダイオード２３を３個ずつ合計１２個配置する。すなわち、３個のフォトダイオード群に対して上記１２個を１組とするフォトダイオード２３を３組割り付けるのである。但し、上記１組のフォトダイオード２３中における同じ移動情報信号用のフォトダイオード２３の個数は、光量等他のばらつき条件に合わせて設定する必要がある。
さらに、細分化する前の(つまり、上記特許文献１の)各移動情報信号用のフォトダイオードに対向しているスリットの位置(つまり、スリットの位置、スリットがない上記光遮光部としての光非透過領域の位置、スリットから光非透過領域に変化する位置、光非透過領域からスリットに変化する位置)と同じスリットの位置に、上記細分化されたフォトダイオード２３を配置して出力信号を加算することによって、上記特許文献１の移動情報信号と同じ移動情報信号を得ることができる。例えば、上記特許文献１における移動情報信号「Ｂ−」用のフォトダイオード３d(図４参照)に対向しているスリット２cの位置(スリット２cから光非透過領域に変化する位置)と同様に、図１においてスリット２２aから光非透過領域２４aに変化する位置に配置されているフォトダイオード２３a4,２３a6,２３a8の出力信号を加算することによって、同じ移動情報信号「Ｂ−」を得ることができるのである。
ここで、受光手段を構成する上記複数のフォトダイオード２３a1〜２３c12に対向する「３個」のスリット２２a〜２２cにおいて、１つのスリット２２aと、この各スリット２２aに移動体２１の移動方向後側に隣接する各光非透過領域２４aとで成る領域に、割り当て配列された複数のフォトダイオード２３a1〜２３a12をフォトダイオード群とする。そして、各フォトダイオード群２３a,２３b,２３cの間隔も対向する光スリット２２の個数の乗羃で細分化することによって均等間隔で配置することができる。ここで、フォトダイオード群の間隔とは、互いに隣接する２つのフォトダイオード群２３a,２３bにおいて、一方のフォトダイオード群２３aのうちで他方のフォトダイオード群２３bに最も近いフォトダイオード２３a12と上記他方のフォトダイオード群２３bのうちで上記一方のフォトダイオード群２３aに最も近いフォトダイオード２３b1との間隔のことである。そして、例えば、図４に示す上記特許文献１における光学式エンコーダのフォトダイオード間隔がスリット２の配列間隔を１Ｐ(ピッチ)として、(１/４)Ｐであり、図５に示す従来の光学式エンコーダにおけるフォトダイオード群の間隔が(１/４)Ｐであるのに対して、図１に示す光学式エンコーダにおけるフォトダイオード間隔およびフォトダイオード群の間隔は１/(４×３の乗羃)Ｐで配置するのである。
従来、フォトダイオードおよび後段回路の構成は、以下のような構成になっている。すなわち、図４に示す上記特許文献１における光学式エンコーダの場合には、４つのフォトダイオード３a〜３dから出力される移動情報信号Ａ＋,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ−に対し、図２に示すように、アンプ２５で移動情報信号Ａ＋と移動情報信号Ａ−とを比較して増幅し、アンプ２６で移動情報信号Ｂ＋と移動情報信号Ｂ−とを比較して増幅する。こうして、位相が９０°異なるＡch信号とＢch信号とを取り出すようになっている。
フォトダイオードを細分化した本実施の形態の場合においても、フォトダイオード２３および後段回路の基本的な構成は同様である。すなわち、スリット２２の配列ピッチＰを周期とするＡchの移動情報信号を出力するフォトダイオード２３と、上記Ａchの移動情報信号に対して位相が９０度遅れた上記Ｂchの移動情報信号を出力するフォトダイオード２３とを、交互に配置する。
そして、移動体２１が進む方向を前として、前から奇数番目に配置されている上記Ａch用のフォトダイオード２３のうち、上記前側(１/２)Ｐに配列されているフォトダイオード２３a1,２３a3,２３a5を移動情報信号Ａ＋用のフォトダイオードとする一方、後側(１/２)Ｐに配列されているフォトダイオード２３a7,２３a9,２３a11を移動情報信号Ａ−用のフォトダイオードとする。また、前から偶数番目に配置されている上記Ｂch用のフォトダイオード２３のうち、最前側(１/４)Ｐおよび最後側(１/４)Ｐに配列されているフォトダイオード２３a2,２３a10,２３a12を移動情報信号Ｂ＋用のフォトダイオードとする一方、最前側(１/４)Ｐと最後側(１/４)Ｐとの間の中央(１/２)Ｐに配列されているフォトダイオード２３a4,２３a6,２３a8を移動情報信号Ｂ−用のフォトダイオードとするのである。
そして、上記移動情報信号Ａ＋用のフォトダイオード２３a1,２３a3,２３a5の出力を加算して、図２に示すアンプ２５の＋端子に入力する。一方、移動情報信号Ａ−用のフォトダイオード２３a7,２３a9,２３a11の出力を加算して、アンプ２５の−端子に入力する。同様に、移動情報信号Ｂ＋用のフォトダイオードa2,２３a10,２３a12の出力を加算して、図２に示すアンプ２６の＋端子に入力する。一方、移動情報信号Ｂ−用のフォトダイオード２３a4,２３a6,２３a8の出力を加算して、アンプ２６の−端子に入力するのである。
こうすることによって、上記アンプ２５とアンプ２６とからは位相が９０°異なるＡch信号とＢch信号とが出力されるのである。その場合に、各移動情報信号Ａ＋,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ−は、細分化された複数(図１の場合は３個)のフォトダイオード２３からの信号を加算して得るようにしている。したがって、位相ずれのばらつきが少ない出力信号を得ることができるのである。
具体例として、図１に示す場合について説明する。図１においては、上述したように、上記特許文献１の各フォトダイオードを、スリット２２の個数「３」の２乗である「９」個に細分化して得られたフォトダイオード２３の組みを４組配置する。つまり、移動情報信号の個数「４」とスリット２２の個数「３」の２乗との積で表される「３６」個のフォトダイオード２３を配置するのである。そして、その場合における配置方法は、上記各フォトダイオード２３の幅を(１/１８)×Ｐとし、各フォトダイオード２３の間隔を(１/３６)×Ｐとし、各フォトダイオード群２３a,２３b,２３cの間隔を(１/１２)×Ｐとして配置する。また、上記移動情報信号に関しては、Ａ＋,Ｂ＋,Ａ＋,Ｂ−,Ａ＋,Ｂ−,Ａ−,Ｂ−,Ａ−,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ＋の順になるように配置された１２個のフォトダイオード２３で成るフォトダイオード群を３群配列する。そして、同一チャネル同一符号の信号を加算し、図２に示すようにアンプ２５およびアンプ２６によって比較演算を行うことによって、整合性があり、ＳＮ比も十分な光学式エンコーダを得ることができるのである。
また、半導体プロセスによって、更に細いフォトダイオードを作成することが可能である場合には、図３に示すように、上記特許文献１のフォトダイオードを更に細分化して成るフォトダイオードを用いることができる。
図３においては、上記特許文献１の各フォトダイオードをスリット３２の個数「３」の３乗である「２７」個に細分化して得られたフォトダイオード３３の組みを、４組配置する。つまり、上記移動情報信号の個数「４」とスリット３２の個数「３」の３乗との積で表される「１０８」個のフォトダイオード２３を配置するのである。そして、その場合における配置方法は、各フォトダイオード３３の幅を(１/５４)×Ｐとし、各フォトダイオード３３の間隔を(１/１０８)×Ｐとし、各フォトダイオード群３３a,３３b,３３cの間隔を(１/３６)×Ｐとして配置する。また、上記移動情報信号に関しては、Ａ＋,Ｂ＋,Ａ＋,Ｂ＋,Ａ＋,Ｂ＋,Ａ＋,Ｂ＋,Ａ＋,Ｂ−,Ａ＋,Ｂ−,Ａ＋,Ｂ−,Ａ＋,Ｂ−,Ａ＋,Ｂ−,Ａ−,Ｂ−,Ａ−,Ｂ−,Ａ−,Ｂ−,Ａ−,Ｂ−,Ａ−,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ＋,Ａ−,Ｂ＋の順になるように配置された３６個のフォトダイオード２３で成るフォトダイオード群を、３群配列する。そして、同一チャネルで同一符号の信号を加算し、図２に示すようにアンプ２５およびアンプ２６によって比較演算を行うことによって、整合性があり、ＳＮ比も十分な光学式エンコーダを得ることができるのである。
以上のごとく、本実施の形態においては、上記特許文献１の各フォトダイオードに対して、受光部に対向するスリット２２,３２の個数の乗羃で表される個数に細分化して得られたフォトダイオード２３,３３を、上記移動情報信号の個数とスリット２２,３２の個数の乗羃との積で表される個数だけ配置するようにしている。このように、フォトダイオードの細分化を図ることによって、各フォトダイオード２３,３３間の距離が短くなるために、スリット２２,３２と光非透過領域２４,３４とで成る各領域および各移動情報信号に対するフォトダイオード２３,３３の配置をバランス良く行うことができる。
また、上記フォトダイオード２３,３３の個数は上記移動情報信号の個数およびスリット２２,３２の個数で割り切れる。したがって、総てのフォトダイオード２３,３３を、各移動情報信号および各スリット２２,３２に対して、同数ずつ均等に割り当てて配置することができる。
さらに、上記スリット２２,３２と光非透過領域２４,３４とで成る各領域に割り当てられたフォトダイオード群の間隔、および、同一フォトダイオード群に属する各フォトダイオードの間隔を、上記移動情報信号の個数とスリット２２,３２の個数の乗羃との積でスリット２２,３２の配列ピッチを除した値にしている。したがって、上記各フォトダイオード群および一つのフォトダイオード群に属する各フォトダイオードを、スリット２２,３２の個数に反比例した間隔で均等に配置することができる。
以上のことより、上記フォトダイオード２３,３３の配置、上記フォトダイオード群およびフォトダイオード２３,３３の間隔、各移動情報信号用フォトダイオードの配置を、総て均等にすることができる。したがって、上記移動情報信号のずれ,波形の歪み,位相のばらつき等を抑え、分解性能を上げ、正確な移動情報信号を得ることができるのである。
上記実施の形態において述べた光学式エンコーダは、印刷機器およびＦＡ機器の光センサーとして用いると好適である。
尚、上記実施の形態においては、上記スリット２２,３２の配列方向について特に限定するものではない。例えば、円板の形状を成す移動体２１,３１の周囲に円弧状に配列されていても良いし、板の形状を成す移動体２１,３１に直線状に配列されていても良い。
また、上記実施の形態においては、上記移動体２１,３１の一方の側に配置された発光素子からの光を上記光伝達部であるスリット２２,３２によって透過させて、移動体２１,３１の他方の側に配置されたフォトダイオード２３,３３に入射させる透過型を例示している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、移動体２１,３１の一方の側に配置された発光素子からの光を光非透過領域２４,３４で反射して移動体２１,３１の上記一方の側に配置されたフォトダイオード２３,３３に入射させる反射型にも適用することができる。尚、この場合には、スリット２２,３２は、上記光遮光部として機能することになる。
また、上記光伝達部をスリット２２,３２に代えて光反射体で構成して、移動体２１,３１の一方の側に配置された発光素子からの光を上記光反射体で反射して移動体２１,３１の上記一方の側に配置されたフォトダイオード２３,３３に入射させる反射型にも適用することができる。尚、この場合には、移動体２１,３１における上記光反射体間が上記光遮光体として機能することは言うまでもない。また、この場合には、例えば、上記光反射体としてはニッケルメッキを用い、上記光遮光体としては銅を酸化させて黒色化させ且つ表面を粗面化したものを用いる。その製造方法としては、銅の上にニッケルメッキを被覆し、エッチングによって所定の領域のニッケルメッキを除去することで、上記光反射体領域と光遮光体領域とを形成する。
さらに、上記透過型および反射型に拘わらず、上記移動体２１,３１は、遮光性の板材に上記スリットとなる貫通孔を設けたものであっても良く、透明の板材に光遮光体となる遮光膜を設けてスリットとなる部分を露出させた透過領域としたものであっても良い。
この発明の光学式エンコーダにおける移動体とフォトダイオードとの位置関係を示す図である。 図１に示す光学式エンコーダにおける受光側回路のブロック図である。 図１とは異なる光学式エンコーダにおける移動体とフォトダイオードとの位置関係を示す図である。 従来の光学式エンコーダにおける移動体とフォトダイオードとの位置関係を示す図である。 図４とは異なる従来の光学式エンコーダにおける移動体とフォトダイオードとの位置関係を示す図である。 図５に示す光学式エンコーダを用いた場合の光感度を示す図である。 図４に示す光学式エンコーダを用いた場合の光感度を示す図である。
符号の説明
２１,３１…移動体、
２２,３２…スリット、
２３,３３…フォトダイオード、
２３a,２３b,２３c,３３a,３３b,３３c…フォトダイオード群、
２４,３４…光非透過領域、
２５,２６…アンプ。

Claims (7)

  1. 光透過部あるいは光反射部からなる光伝達部と光遮光部とが、等幅を有して等間隔に交互に配列されて上記光伝達部と光遮光部とで３６０度の位相区間を形成する移動体と、
    上記移動体に向って光を出射する発光手段と、
    上記発光手段から出射された光を、上記移動体の上記光伝達部を介して受ける受光手段と、
    上記移動体の動きに応じて変化する上記受光手段が受ける上記光の変化量に基づいて、上記移動体の移動情報を表す上記移動体に対して位相が順次９０度毎の位相差を有する４つの移動情報信号を生成して出力する移動情報信号生成手段と
    を備え、
    上記受光手段は、４×３ n (ｎは２以上の整数)個のフォトダイオードからなり、
    上記４×３ n 個のフォトダイオードは、夫々４×３ (n-1) 個の互いに隣り合った上記フォトダイオードからなる３つのフォトダイオード群を構成し、
    上記４×３ n 個のフォトダイオードは、上記各移動情報信号毎に、１８０度/３ n の位相区間幅で且つ位相が順次１８０度/３ n 毎の位相差で上記移動体を検出する３ n 個ずつの上記フォトダイオードに分けられ、
    上記４つの移動情報信号の夫々を生成するための上記３ n 個の上記フォトダイオードは上記３つのフォトダイオード群に均等数で配置され、
    上記移動情報信号生成手段は、上記各移動情報信号毎に上記３つのフォトダイオード群に配置された上記３ n 個のフォトダイオードの出力信号を加算し、上記４つの移動情報信号とする
    ことを特徴とする光学式エンコーダ。
  2. 請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記３つのフォトダイオード群において、上記４つの移動情報信号の夫々を生成するためのフォトダイオードは、同じ順序で配列されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
  3. 請求項１に記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記移動体における上記光伝達部の配列間隔を１ピッチとすると、
    互いに隣接する２つの上記フォトダイオード群に族するフォトダイオードにおいて、一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードと上記他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで上記一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードとの間隔、および、同一のフォトダイオード群に族するフォトダイオードにおける互いに隣接する２つのフォトダイオードの間隔は、上記互いに独立した移動情報信号の個数４と上記フォトダイオード群の個数３の乗羃との積で上記ピッチを除した値となっている
    ことを特徴とする光学式エンコーダ。
  4. 請求項３に記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記移動情報信号の個数は４個であり、
    上記フォトダイオード群の個数は３個であり、
    上記乗羃は２乗であり、
    上記フォトダイオードの幅は(１/１８)×ピッチであり、
    上記互いに隣接する２つの上記フォトダイオード群に族するフォトダイオードにおいて、一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードと上記他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで上記一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードとの間隔は、(１/１２)×ピッチであり、
    上記同一のフォトダイオード群に族するフォトダイオードにおける互いに隣接する２つのフォトダイオードの間隔は、(１/３６)×ピッチである
    ことを特徴とする光学式エンコーダ。
  5. 請求項３に記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記移動情報信号の個数は４個であり、
    上記フォトダイオード群の個数は３個であり、
    上記乗羃は３乗であり、
    上記フォトダイオードの幅は(１/５４)×ピッチであり、
    上記互いに隣接する２つの上記フォトダイオード群に族するフォトダイオードにおいて、一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードと上記他方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードのうちで上記一方のフォトダイオード群に族するフォトダイオードに最も近いフォトダイオードとの間隔は、(１/３６)×ピッチであり、
    上記同一のフォトダイオード群に族するフォトダイオードにおける互いに隣接する２つのフォトダイオードの間隔は、(１/１０８)×ピッチである
    ことを特徴とする光学式エンコーダ。
  6. 請求項４あるいは請求項５に記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記移動体における上記光伝達部の配列間隔を１ピッチとして、
    上記夫々のフォトダイオード群に族する複数のフォトダイオードに関して、
    上記フォトダイオード群の一端から奇数番目に配置されているフォトダイオードを第１フォトダイオードとする一方、偶数番目に配置されているフォトダイオードを第２フォトダイオードとし、
    さらに、
    上記第１フォトダイオードのうち、上記一端から(１/２)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第１Ａフォトダイオードとする一方、上記一端とは反対側の他端から(１/２)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第１Ｂフォトダイオードとし、
    上記第２フォトダイオードのうち、上記一端から(１/４)×ピッチおよび上記他端から(１/４)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第２Ａフォトダイオードとする一方、上記一端から(１/４)×ピッチと上記他端から(１/４)×ピッチとの間の中央(１/２)×ピッチに配列されているフォトダイオードを第２Ｂフォトダイオードと
    した場合に、
    上記移動情報信号生成手段は、上記第１Ａ,第１Ｂ,第２Ａおよび第２Ｂフォトダイオードの４種類のフォトダイオードからの受光量の変化量を表す信号に基づいて、上記移動体の移動情報を表す互いに独立した４個の移動情報信号を生成して出力するようになっている
    ことを特徴とする光学式エンコーダ。
  7. 請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の光学式エンコーダを備えたことを特徴とする電子機器。
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