JP4291168B2

JP4291168B2 - 光学式エンコーダ用光検出器

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Publication number: JP4291168B2
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Inventors: 毅伊藤
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Description

本発明は光学式エンコーダに用いられる光検出器に関する。

現在、工作機械のステージや３次元計測定器などに於いては直線方向の変位量を検出するための、また、サーボモータなどに於いては回転角を検出するための、光学式や磁気式などの所謂エンコーダが利用されている。特に、光学式エンコーダは、高精度、高分解能、非接触式であり、かつ電磁波障害耐性に優れるなどの特徴を有している。このため、光学式エンコーダは様々な分野で利用されており、特に高精度、高分解能を要する場合には、光学式エンコーダが主流となっている。

光学式エンコーダは一般的に、ステージ等の変位を検出しようとする部材に固定されたスケールと、このスケールの変位を検出するためのセンサヘッドとによって構成されている。また、センサヘッドは、スケールに光を照射する発光部と、スケールにより変調された検出光を検出するための受光部とを有しており、受光した検出光の強度変化によってスケールの移動を検出している。

代表的な従来技術による光学式エンコーダについて説明する。図７は発光ダイオードと符号盤（スケール）とを用いた光学式エンコーダについて示す構成図である。このような構成の光学式エンコーダは、例えば特許文献１において提案されている。

このエンコーダは図７に示すように、符号盤１０３とセンサヘッド１０１とで構成されている。図７において、発光ダイオード１０９と光検出器１０７とが互いに対向するようにセンサヘッド１０１が配置され、符号盤１０３は発光ダイオード１０９から光検出器１０７に向かう光路を横切るように移動可能に取り付けられている。ここで、符号盤１０３には図８に示すような開口部１１３と遮光部１１５とが周期的に形成されている。即ち、発光ダイオード１０９から出射された検出光は、符号盤１０３の移動に伴い開口部１１３が光路上にやってきたときだけ符号盤１０３を透過する。したがって、光検出器１０７上には符号盤１０３の開口部１１３と遮光部１１５の周期に応じた明暗パターンが投影される。ここで、この明暗パターンは、符号盤１０３の移動に応じて光検出器１０７上を移動するので、この明暗パターンの移動を検出することで、符号盤１０３の動きを検出することが可能である。

また、光検出器１０７は図８に示す通り、前記明暗パターンの、互いに９０度位相の異なる領域を検出可能なように、４つのホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄを有している。これら４つのホトディテクタ要素のうち、互いに１８０度位相の異なるホトディテクタ要素１０７ａの出力とホトディテクタ要素１０７ｃの出力との差分、及びホトディテクタ要素１０７ｂの出力とホトディテクタ要素１０７ｄの出力との差分を計算して出力させる事により、外光などの影響をキャンセルし、符号盤１０３により形成される明暗パターンに応じたエンコーダ信号が出力される。

図９は、光検出器１０７の断面図を示す。光検出器１０７のホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄは、一般には半導体基板上に形成されたホトディテクタアレイである。ここで、図９に示す通り、半導体基板上に形成されたホトディテクタ要素の近傍に検出光が照射された場合には、ホトディテクタ領域以外でもキャリア１２０が発生する。このようにホトディテクタ領域以外で発生したキャリア１２０は半導体基板内を様々な方向に移動し、この移動したキャリア１２０の一部が近傍のホトディテクタ要素、例えば図９に示すホトディテクタ要素１０７ｄにより検出されることがある。この場合、ホトディテクタ要素１０７ｄから出力される検出信号が、ホトディテクタ要素に照射された検出光に基づく出力であるのか、或いはホトディテクタ要素以外の半導体基板上に照射された検出光によるノイズ的キャリアであるのかを区別することが出来ない。

図８及び図９に示すように、ホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄが１次元的に並んでいる場合に、ホトディテクタ要素１０７ｂ、１０７ｃは、符号盤１０３の回転方向においてその両端が別のホトディテクタ要素と接しているので、ホトディテクタ要素の両端方向からノイズ的キャリア１２０が流入することはない。これに対し、ホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｄは、一端はホトディテクタ要素１０７ｂ、１０７ｃとそれぞれ接しているが、もう一端は半導体基板に面している。このため、ホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｄには、半導体基板に検出光が照射されたときに発生するノイズ的キャリア１２０が流入してしまう可能性がある。この場合、ホトディテクタ要素１０７ｂ、１０７ｃから出力される信号と比較してホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｄから出力される信号はこのノイズ的キャリア１２０に起因する分だけ大きくなる。したがって、１８０度位相の異なるホトディテクタ要素１０７ａとホトディテクタ要素１０７ｃとの差分、ホトディテクタ要素１０７ｂとホトディテクタ要素１０７ｄとの差分をそれぞれ計算すると、光検出器から出力されるエンコーダ信号の振幅の中心がノイズ的キャリアに起因する分だけ変化してしまうことになり、後段の信号処理等に悪影響を及ぼしてしまう。

そこで、特許文献１では、図８に示されるように、例えばホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｄの外側に、ダミーホトディテクタ１１０、１１２を設け、ノイズ的キャリアをこれらダミーホトディテクタ１１０、１１２により吸収する手法を用いている。このように構成することで、光検出器１０７上のホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄにはノイズ的キャリアが流入することがない。このため、全てのホトディテクタ要素が同程度の受光能力を有することになり、安定した光検出が可能である。

なお、この特許文献１の手法では、各位相領域をそれぞれ１つのホトディテクタ要素１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄによって検出する例を示したが、図１０に示すように、周期的に配置された４つのグループによって４つの位相部分を検出する例も知られている。このように構成することで、符号盤１０３により形成される明暗パターンを複数周期に渡って検出することが可能であり、ホトディテクタにおける受光量を増やしたり、符号盤１０３の開口部１１３の形状ばらつきなどの影響を小さくしたりすることが可能である。
特公平８−３４２７号公報

しかしながら、特許文献１の手法では、ノイズ的キャリアを十分に除去しようとする場合に、比較的大きなダミーホトディテクタが必要となる。このことは、光検出器の小型化を阻害する原因の１つとなる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ノイズ的キャリアを十分に除去でき、かつ小型化が可能なエンコーダ用光検出器を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の光学式エンコーダ用光検出器は、光源と、前記光源に対して相対的に移動可能な光学的周期構造を有するスケールと、前記光源から出射され前記スケールを経由した検出光により生成される周期的な明暗パターンを検出する光検出器とを有する光学式エンコーダに用いられる光検出器において、前記光検出器は、前記明暗パターンにおける互いに位相の異なる少なくとも３つ以上の位相部分を検出する複数のホトディテクタ要素からなる１次元ホトディテクタアレイを含み、前記１次元ホトディテクタアレイの一端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分と、前記１次元ホトディテクタアレイのもう一端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分とは、互いに１８０度位相が異なっている。

この第１の態様によれば、ホトディテクタアレイの一方の端ともう一方の端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分が互いに１８０度異なるようにしているので、ホトディテクタの一方の端から流入するノイズ的キャリアともう一方の端から流入するノイズ的キャリアを相殺し、信号成分からノイズ的キャリアの影響を除去することができる。

本発明によれば、ノイズ的キャリアを十分に除去でき、かつ小型化が可能なエンコーダ用光検出器を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における光学式エンコーダの構成図である。即ち、本光学式エンコーダは面発光レーザ等の光源１と、光学的周期構造を有するスケール２と、光検出器３とから構成されている。ここで、スケール２は、光源１及び光検出器３に対して相対的に移動可能に取り付けられている。

このような構成において、光源１からスケール２に光が照射されると、このスケール２を透過した光により、光検出器３上にはスケール２の光学的周期構造に応じた明暗パターンが形成される。ここで、光検出器３上には１次元ホトディテクタアレイ（以下、ホトディテクタアレイと称する）４が形成されており、ホトディテクタアレイ４によって前記明暗パターンの所定の位相部分を検出可能である。ここで、所定の位相部分とは、スケール２の光学的周期構造によって形成される周期的な明暗パターンの、所定の位相領域におけるパターンのことである。

即ち、光検出器３上に形成された明暗パターンは、スケール２の移動に伴って光検出器３上を移動するので、この明暗パターンの動きを検出することで、スケール２の動きを検出する事が可能である。ここで、光源１と光検出器３とを一定の位置関係が保持されるようにしておけば、光検出器３上に形成される明暗パターン、即ち光源１から出射される検出光の強度分布は変化しない。したがって、スケール２による明暗パターンは、この強度分布を維持したままスケール２の移動に伴い光検出器３上を移動する。

図２は、光検出器３上に形成されているホトディテクタアレイ４を、スケール２と対向する面側から見たときの図である。図２に示されるとおり、光検出器３上に形成されたホトディテクタアレイ４は、明暗パターンの、互いに位相が９０度異なる４つの位相部分を検出可能なように、明暗パターンの周期と等しい周期を有する４つのホトディテクタグループにより構成されている。これら４つのホトディテクタグループは、それぞれ位相部分（＋Ａ）を検出するホトディテクタ要素４ａからなるグループ、位相部分（＋Ａ）と９０度位相が異なる位相部分（＋Ｂ）を検出するホトディテクタ要素４ｂからなるグループ、位相部分（＋Ｂ）と９０度位相が異なる位相部分（−Ａ）を検出するホトディテクタ要素４ｃからなるグループ、及び位相部分（−Ａ）と９０度位相が異なる位相部分（−Ｂ）を検出するホトディテクタ要素４ｄからなるグループである。

なお、第１の実施形態では、４つの位相部分を検出可能なように４つのホトディテクタグループによってホトディテクタアレイを構成しているが、これに限るものではない。例えば、３つのホトディテクタグループによって３つの位相部分を検出可能に構成しても良い。

ここで、ホトディテクタ要素４ａのグループが検出する位相部分（＋Ａ）とホトディテクタ要素４ｃのグループが検出する位相部分（−Ａ）とは互いに位相が１８０度（９０度＋９０度）異なる。これらホトディテクタグループの出力に基づいて後段の信号処理回路１０において、両位相部分の差分（−Ａ）−（＋Ａ）が計算され、エンコーダＡ相信号として出力される。このような演算を行うことにより、外光等の影響をキャンセルし、明暗パターンの信号成分のみを出力させることができる。同様に、ホトディテクタ要素４ｂのグループとホトディテクタ要素４ｄのグループからは、エンコーダＢ相信号＝（−Ｂ）−（＋Ｂ）が出力される。

ここで、従来技術に於いては図８に示すように、各ホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数がそれぞれ等しくなっている。これに対し、第１の実施形態においては、図２に示すように、ホトディテクタアレイ４の右端が（＋Ａ）相を検出するホトディテクタ要素であり、左端が（−Ａ）相を検出するホトディテクタ要素である。即ち、ホトディテクタ要素４ａ、ホトディテクタ要素４ｂ、及びホトディテクタ要素４ｃのグループは、それぞれ３個のホトディテクタ要素を有しているが、ホトディテクタ要素４ｄのグループはホトディテクタ要素が２個であり、他のグループよりもホトディテクタ要素の数が１個少ない。なお、図２では便宜上、それぞれのグループが有するホトディテクタ要素の数を３個又は２個としたが、実際にエンコーダに用いる場合には、より多くのホトディテクタ要素によって各グループを構成するのが普通である。しかし、このような場合でも、ホトディテクタ要素４ａ、ホトディテクタ要素４ｂ、及びホトディテクタ要素４ｃのグループに属するホトディテクタ要素の数よりも、端部に配置されるホトディテクタ要素４ｄのグループに属するホトディテクタ要素の数を１つだけ少なくするように配列する事で、図２に準じた位置関係を保ってホトディテクタ要素を配列することが可能である。

次に、図２の構成を有する光検出器の動作について説明する。従来例では、各グループにおいて検出された信号は、Ａ相信号＝（−Ａ）−（＋Ａ）、Ｂ相信号＝（−Ｂ）−（＋Ｂ）のように計算され、出力される。一方、第１の実施形態のような構成の場合、ホトディテクタアレイ４の右端と左端とは、それぞれホトディテクタ要素４ａとホトディテクタ要素４ｃとなっているので、ホトディテクタアレイ４の両端部におけるノイズ的キャリアがＢ相信号に影響を与えることが無い。また、Ａ相信号においても、図２における、ホトディテクタアレイ４の右端のホトディテクタ要素４ｄに入射するノイズ的キャリア２１と、ホトディテクタアレイ４の左端のホトディテクタ要素４ａに入射するノイズ的キャリア２２とはその大きさが略等しいので、差分をとるときに、ノイズ的キャリア成分がキャンセルされる。したがって、Ａ相信号に於いても、ノイズ的キャリアの影響を受けることがない。

なお、第１の実施形態に於いては、ホトディテクタ要素４ｄのグループに属するホトディテクタ要素を１つ少なくしているので、Ｂ相信号＝（−Ｂ）−（＋Ｂ）を算出する場合に、ホトディテクタ要素４ｂのグループから出力される信号成分と比較して、ホトディテクタ要素４ｄのグループから出力される信号成分はホトディテクタ要素１つ分だけ常に小さくなる。しかしながら、ホトディテクタアレイ４を構成するホトディテクタ要素の数を十分に大きくすれば、このずれを無視する事が可能である。例えば、１５周期分の明暗パターンを検出可能なホトディテクタアレイであれば、Ａ相信号とＢ相信号との間の信号成分のずれは１割以下となり、実用上無視することができる程度になる。

また、常にホトディテクタ要素１つ分だけ信号成分が少なくなることが分かっているので、後段の信号処理回路１０等で信号成分のずれを補整する事も可能である。例えば、ホトディテクタ要素４ｂのグループに属するホトディテクタ要素が１０個、ホトディテクタ要素４ｄのグループに属するホトディテクタ要素が９個の場合には、Ｂ相信号＝（−Ｂ）×１．１１−（＋Ｂ）として計算すればよい。即ち、ホトディテクタ要素数の比を（−Ｂ）相に乗じてから計算を行えば、ホトディテクタ要素数の違いによるＢ相信号とＡ相信号の出力の違いを補整する事が可能である。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、ホトディテクタアレイの端部に流入するノイズ的キャリアの影響を除去する事が可能である。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、光学式エンコーダとしての基本的な構成については図１において説明した第１の実施形態と同様である。しかしながら、第２の実施形態は、光検出器３のホトディテクタアレイ４が有する４つのホトディテクタ要素のグループのうち、Ａ相信号を演算するためのホトディテクタ要素４ａのグループのホトディテクタ要素数とホトディテクタ要素４ｃのグループのホトディテクタ要素数とが等しく、また、Ｂ相信号を演算するためのホトディテクタ要素４ｂのグループのホトディテクタ要素数とホトディテクタ要素４ｄのグループのホトディテクタ要素数とが等しくなるように構成されている点が第１の実施形態と異なっている。

即ち、第２の実施形態においては、光検出器３に形成されたホトディテクタアレイ４が、図３に示されるような構成となっている。即ち、図２に示す第１の実施形態と比較して、さらに任意の位置のホトディテクタ要素４ｂを１つ取り除いた構成となっている。このように構成する事で、ホトディテクタ要素４ａのグループのホトディテクタ要素数とホトディテクタ要素４ｃのグループのホトディテクタ要素数とが等しく、ホトディテクタ要素４ｂのグループのホトディテクタ要素数とホトディテクタ要素４ｄのグループのホトディテクタ要素数とが等しくなる。このとき、ホトディテクタ要素４ａのグループ及びホトディテクタ要素４ｃのグループのホトディテクタ要素数と比較して、ホトディテクタ要素４ｂのグループ及びホトディテクタ要素４ｄのグループのホトディテクタ要素数は、それぞれ１つずつ少なくなっている。

次に、このような構成を有する本発明の第２の実施形態の動作について説明する。図３において、ホトディテクタアレイ４の右端から流入するノイズ的キャリア２１と左端から流入するノイズ的キャリア２２とは互いに略等しいと考えられる。即ち、これらのノイズ的キャリアは、ホトディテクタ要素４ａのグループとホトディテクタ要素４ｃのグループとにそれぞれ同じ量だけ流入する。また、ホトディテクタ要素４ｂのホトディテクタ要素を取り除いた領域に流入するノイズ的キャリア２３は、その両隣のホトディテクタ要素に等しく分配されて、これら分配されたそれぞれがホトディテクタ要素４ａのグループとホトディテクタ要素４ｃのグループとに流入する。このとき、Ａ相信号及びＢ相信号をそれぞれ求めると、Ａ相信号は、Ａ相信号＝（（−Ａ）＋（ノイズ的キャリア２１＋ノイズ的キャリア２３））−（（＋Ａ）＋（ノイズ的キャリア２２＋ノイズ的キャリア２３））＝（−Ａ）−（＋Ａ）となり、ノイズ的キャリアの影響を受けることがない。また、Ｂ相信号は、Ｂ相信号＝（−Ｂ）−（＋Ｂ）で変わらないので、同様にノイズ的キャリアの影響を受けることがない。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、Ａ相信号、Ｂ相信号とも、ホトディテクタ要素数が等しいので、差分を計算した後の信号成分の振幅中心は等しくなり、より安定な信号を出力させる事が可能である。なお、第２の実施形態においては、Ｂ相信号はＡ相信号に比較して出力が小さくなるが、その分は、後段の信号処理回路１０においてＢ相信号を増幅するようにしても良い。

また、第２の実施形態においては、さらに抜き取るホトディテクタ要素４ｂの位置を任意の位置としたが、抜き取るホトディテクタ要素４ｂの端部に近い方が、抜き取った領域に入射する検出光の強度が小さくなるので、より安定した検出信号を得ることが可能である。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、所謂透過型エンコーダを例にとって説明したが、例えば、図４に示されるような反射型の光学式エンコーダであっても同様の構成を用いて同様の効果を得ることが可能である。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、光源を面発光レーザとしてきたが、光源としてＬＥＤとスリットとを組み合わせて用いるようにしても同様のエンコーダを構成する事が可能である。この場合、スリットは開口部が１つであっても構わないし、スケールピッチ、光源とスケールと光検出器との位置関係、光源の波長などから算出される所定周期の複数の開口を有するものでも構わない。

図４は光源１にスリット５を設けた、所謂３重スリット型の反射型光学式エンコーダである。このような構成であっても、光検出器３上に形成するホトディテクタアレイ４を第１の実施形態又は第２の実施形態のように構成することで、同様の効果を得ることが可能である。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態においては、光学式エンコーダとしての基本的な構成については、第２の実施形態で説明したものと同様であり、またその動作も同様である。

この第３の実施形態においては、光検出器３のホトディテクタアレイ４の端部にダミーのホトディテクタが設けられている点が第２の実施形態と異なっている。

即ち、第３の実施形態においては、ホトディテクタアレイ４が、図５に示すような構成となっている。即ち、図３に示す第２の実施形態の構成にノイズ的キャリアＤ_１〜Ｄ_３を吸収するためのダミーホトディテクタ４ｅ〜４ｇが、ホトディテクタアレイの両端部とホトディテクタアレイ内部のホトディテクタ要素４ｂを取り除いた領域とに配置されている。また、図５において、ダミーホトディテクタ４ａ〜４ｄはグランド電位又は所定電位Ｄに固定された端子と電気的に接続されている。これにより、ダミーホトディテクタ４ｅ〜４ｇで発生したり、ダミーホトディテクタ４ｅ〜４ｇに流入したりしたノイズ的キャリアは、グランド電位又は所定電位Ｄの端子から流出し、ホトディテクタ要素４ａ〜４ｄにおいて検出される信号にノイズ的キャリアが影響をおよぼすことがない。また、この場合には、ホトディテクタ要素４ｂを取り除いた領域に流入したノイズ的キャリアＤ_２が両隣のホトディテクタ要素に流入せず、ダミーホトディテクタ４ｆに吸収される。

ここで、ダミーホトディテクタ４ｅ〜４ｇは、ホトディテクタ要素４ａ〜４ｄと略同形のものであり、ホトディテクタとしての受光能力はホトディテクタ要素４ａ〜４ｄとほぼ同じものを用いることが好ましい。これにより、ノイズ的キャリアを確実に吸収することができ、かつ光検出器の大きさを必要最小限に抑えることが可能である。

このような構成とすることで、ノイズ的キャリアの多くはダミーホトディテクタ４ｅ〜４ｇに吸収されるので、ホトディテクタアレイ４の左右から流入するノイズ的キャリアに若干の差異があった場合でも、その影響を最小限に抑えることが可能である。このとき、ダミーホトディテクタは、ノイズ的キャリアが流入する可能性が高い場所に１つずつ配置しておけば十分である。このようにすれば、ダミーホトディテクタを配置することによる装置面積の増大を必要最小限に抑えることができる。したがって、光検出器全体の小型化を実現しつつノイズ的キャリアの影響を抑えた所望の信号をホトディテクタアレイから得ることが可能である。

また、図６に示すように、ホトディテクタアレイ４が有する各ホトディテクタグループのホトディテクタ要素数が等しくなるように、ホトディテクタアレイ４中の所定数のホトディテクタ要素をダミーホトディテクタに置き換えるようにしても良い。この場合には、各ホトディテクタグループから出力される信号のレベルを等しくすることができ、より安定した信号出力を得ることが可能である。なお、この場合には、全体的な出力が小さくなるので、必要に応じて出力信号を増幅するようにしても良い。

また、第３の実施形態においては、ホトディテクタアレイ４の両端及び内部の隙間に、図５及び図６に示すようにダミーホトディテクタ４ｅ〜４ｉを設けたが、これに限定されるものではない。例えば、図５及び図６に示した構成のうち、ダミーホトディテクタ４ｅ及び４ｇを取り除いても良い。また、ホトディテクタアレイ４の内部にダミーホトディテクタを設けずにダミーホトディテクタ４ｅ及び４ｆのみを設けるようにしても良い。さらには、図６で示すホトディテクタアレイ４の内部のダミーホトディテクタ４ｆ、４ｈ、４ｉのうちの任意の１つ（例えば、ダミーホトディテクタ４ｆ）を取り除いた構成としても良い。ただし、ホトディテクタアレイ４の両端のように、ノイズ的キャリアの流入量がほぼ等しいと考えられる部分には、ダミーホトディテクタをペアで設けておく必要がある。

また、第３の実施形態の構成を図４の反射型の光学式エンコーダに適用しても同様の効果を得ることが可能である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

さらに、前記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

ここで、本発明の要旨をまとめると特許請求の範囲に記載したものに加えて以下のようなものを含む。

（１）光源と、光学的周期構造を有し、前記光源に対して相対的に移動可能なスケールと、前記光源から出射され前記スケールを経由した検出光により生成される周期的な明暗パターンを検出する光検出器とを有する光学式エンコーダに用光検出器において、前記光検出器は、前記明暗パターンにおける互いに位相の異なる少なくとも３つ以上の位相部分を検出する複数のホトディテクタ要素からなる１次元ホトディテクタアレイを含み、前記１次元ホトディテクタアレイの一端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分と、前記１次元ホトディテクタアレイのもう一端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分とは、互いに１８０度位相が異なっていることを特徴とする光学式エンコーダ用光検出器。

この（１）の態様によれば、ホトディテクタアレイの一方の端ともう一方の端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分が互いに１８０度異なるようにしているので、ホトディテクタの一方の端から流入するノイズ的キャリアともう一方の端から流入するノイズ的キャリアを相殺し、信号成分からノイズ的キャリアの影響を除去することができる。

（２）前記１次元ホトディテクタアレイを構成する複数のホトディテクタ要素はそれぞれ、前記少なくとも３つ以上の位相部分を検出する少なくとも３つ以上のホトディテクタグループの何れか１つのグループに属しており、前記少なくとも３つ以上のホトディテクタグループのうち、あるホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数が、他のホトディテクタグループに属するホトディテククタ要素の数と異なるような組合せが少なくとも１組存在することを特徴とする（１）に記載の光学式エンコーダ用光検出器。

（３）前記ホトディテクタグループの数は４つであり、前記４つのホトディテクタグループは前記明暗パターンにおける互いに９０度位相の異なる４つの位相部分を検出し、前記ホトディテクタグループにおける互いに１８０度位相の異なる２つのグループの出力は、これら２つの出力の差分を演算する演算回路に接続されていることを特徴とする（２）に記載の光学式エンコーダ用光検出器。

これら（２）及び（３）の態様によれば、ホトディテクタアレイの一方の端ともう一方の端に配置されたホトディテクタ要素からの信号の差分を計算して出力するように各ホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数を調整する事で、ホトディテクタアレイの一方の端から流入するノイズ的キャリアと、もう一方の端から流入するノイズ的キャリアとを相殺し、信号成分からノイズ的キャリアの影響を除去することができる。

（４）前記ホトディテクタアレイは、前記明暗パターンを、少なくとも１５周期以上に渡って検出するように構成されていることを特徴とする（３）に記載の光学式エンコーダ用光検出器。

ホトディテクタアレイが十分に長いと、各ホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数の差による信号出力のずれが相対的に小さくなる。即ち、（４）の態様によれば、ホトディテクタアレイを、１５周期以上と十分長くしているので信号出力のずれをほぼ無視出来る。

（５）前記４つのホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数は、互いに１８０度異なる位相部分を検出するホトディテクタグループ毎に等しいことを特徴とする（３）又は（４）に記載の光学式エンコーダ用光検出器。

この（５）の態様によれば、互いに１８０度位相の異なる位相部分を検出するホトディテクタグループからの信号の差分を計算するときに、差分を計算するホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数が互いに等しいので、差分を計算したときの振幅中心はそれぞれのグループに属するホトディテクタ要素の数に依存しない。

（６）前記４つのホトディテクタグループのうち、前記ホトディテクタアレイの端部に配置されるホトディテクタ要素が属するホトディテクタグループのホトディテクタ要素の数は、前記端部に配置されるホトディテクタ要素が属さないホトディテクタグループのホトディテクタ要素の数よりも１だけ多いことを特徴とする（３）乃至（５）の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。

各ホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数の差が小さいほど信号レベルの差は無くなる。したがって、ホトディテクタアレイの端部に配置されるホトディテクタ要素の属するホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素数とそれ以外のホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素数の差は、（６）の態様のように１が最小となる。

（７）前記ホトディテクタグループからの出力を演算して出力する際に、前記各ホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数の違いによる出力の違いを補整する信号処理回路を更に有することを特徴とする（２）乃至（６）の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。

各ホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数の違いは設計段階で設定するパラメータであり、各ホトディテクタグループからの出力におけるホトディテクタ要素の数の影響は予測可能である。したがって、（７）の態様のように、信号処理回路を構成することで、より信号レベルが安定し、小型化と高性能を両立させることが可能である。

（８）前記１次元ホトディテクタアレイの両端部および／または各ホトディテクタ要素間に、ホトディテクタアレイを構成するホトディテクタ要素と略同形の、ノイズ的キャリアを吸収するダミーホトディテクタを更に１つずつ配置することを特徴とする（１）乃至（７）の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。

（９）前記１次元ホトディテクタアレイの、同じ位相部分を検出するホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数が等しく構成されており、前記１次元ホトディクタアレイの両端部および／または隙間に、ホトディテクタアレイを構成するホトディテクタ要素と略同形の、ノイズ的キャリアを吸収するダミーホトディテクタを更に配置することを特徴とする（１）に記載の光学式エンコーダ用光検出器。

これら（８）及び（９）の態様によれば、ダミーホトディテクタの効果により、１次元ホトディテクタの各ホトディテクタ要素へのノイズ的キャリアの流入を、より確実に抑えることが出来る。
（１０）前記１次元ホトディテクタアレイの、同じ位相部分を検出するホトディテクタグループの有するホトディテクタ要素の個数が、互いに等しく構成されていることを特徴とする（１）又は（８）に記載の光学式エンコーダ用光検出器。
（１１）前記ホトディテクタアレイは、ホトディテクタ要素が配置されていない領域が設けられていることを特徴とする（１）乃至（７）及び（１０）の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。
（１２）前記ホトディテクタアレイの、ホトディテクタ要素が配置されていない領域に、前記ホトディテクタ要素と同形の、信号検出に用いないダミーのホトディテクタが設けられていることを特徴とする（１１）に記載の光学式エンコーダ用光検出器。

光学式エンコーダの構成図である。本発明の第１の実施形態に係る光学式エンコーダ用光検出器の構成図である。本発明の第２の実施形態に係る光学式エンコーダ用光検出器の構成図である。本発明の変形例としての反射型光学式エンコーダの構成図である。本発明の第３の実施形態に係る光学式エンコーダ用光検出器の構成の一例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る光学式エンコーダ用光検出器の構成の別の例を示す図である。従来例の光学式エンコーダの構成図である。符号板の拡大図である。ホトディテクタ要素に流入するノイズ的キャリアについて説明するための図である。従来例の光学式エンコーダ用光検出器の構成図である。

符号の説明

１…光源、２…スケール、３…光検出器、４…１次元ホトディテクタアレイ、４ａ〜４ｄ…ホトディテクタ要素、４ｅ〜４ｉ…ダミーホトディテクタ、１０…信号処理回路

Claims

光源と、前記光源に対して相対的に移動可能な光学的周期構造を有するスケールと、前記光源から出射され前記スケールを経由した検出光により生成される周期的な明暗パターンを検出する光検出器とを有する光学式エンコーダに用いられる光検出器において、
前記光検出器は、前記明暗パターンにおける互いに位相の異なる少なくとも３つ以上の位相部分を検出する複数のホトディテクタ要素からなる１次元ホトディテクタアレイを含み、
前記１次元ホトディテクタアレイの一端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分と、前記１次元ホトディテクタアレイのもう一端に配置されるホトディテクタ要素の検出する位相部分とは、互いに１８０度位相が異なっていることを特徴とする光学式エンコーダ用光検出器。
前記１次元ホトディテクタアレイを構成する複数のホトディテクタ要素はそれぞれ、前記少なくとも３つ以上の位相部分を検出する少なくとも３つ以上のホトディテクタグループの何れか１つのグループに属しており、前記少なくとも３つ以上のホトディテクタグループのうち、あるホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数が、他のホトディテクタグループに属するホトディテククタ要素の数と異なるような組合せが少なくとも１組存在することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記ホトディテクタグループの数は４つであり、前記４つのホトディテクタグループは前記明暗パターンにおける互いに９０度位相の異なる４つの位相部分を検出し、前記ホトディテクタグループにおける互いに１８０度位相の異なる２つのグループの出力は、これら２つの出力の差分を演算する演算回路に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記ホトディテクタアレイは、前記明暗パターンを、少なくとも１５周期以上に渡って検出するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記４つのホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数は、互いに１８０度異なる位相部分を検出するホトディテクタグループ毎に等しいことを特徴とする請求項３又は４に記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記４つのホトディテクタグループのうち、前記ホトディテクタアレイの端部に配置されるホトディテクタ要素が属するホトディテクタグループのホトディテクタ要素の数は、前記端部に配置されるホトディテクタ要素が属さないホトディテクタグループのホトディテクタ要素の数よりも１だけ多いことを特徴とする請求項３乃至５の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記ホトディテクタグループからの出力を演算して出力する際に、前記各ホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数の違いによる出力の違いを補整する信号処理回路を更に有することを特徴とする前記請求項２乃至６の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記１次元ホトディテクタアレイの両端部および／または各ホトディテクタ要素間に、ホトディテクタアレイを構成するホトディテクタ要素と略同形の、ノイズ的キャリアを吸収するダミーホトディテクタを更に１つずつ配置することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記１次元ホトディテクタアレイの、同じ位相部分を検出するホトディテクタグループに属するホトディテクタ要素の数が等しく構成されており、前記１次元ホトディクタアレイの両端部および／または隙間に、ホトディテクタアレイを構成するホトディテクタ要素と略同形の、ノイズ的キャリアを吸収するダミーホトディテクタを更に配置することを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記１次元ホトディテクタアレイの、同じ位相部分を検出するホトディテクタグループの有するホトディテクタ要素の個数が、互いに等しく構成されていることを特徴とする請求項１又は８に記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記ホトディテクタアレイは、ホトディテクタ要素が配置されていない領域が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７及び１０の何れか１つに記載の光学式エンコーダ用光検出器。
前記ホトディテクタアレイの、ホトディテクタ要素が配置されていない領域に、前記ホトディテクタ要素と同形の、信号検出に用いないダミーのホトディテクタが設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の光学式エンコーダ用光検出器。