JP5016001B2 - 光学式エンコーダおよび電子機器 - Google Patents

Description

この発明は、受光素子を用いて移動体の位置，移動速度、移動方向等を検出する光学式エンコーダに関し、一例として特に複写機、プリンターなどの印刷機器、ＦＡ機器、カメラ等におけるレンズフォーカス調整、クランクシャフト等の車両用の駆動部品の回転，移動量の検出に用いると好適である光学式エンコーダに関する。

従来、特許文献１(特開平１１−１０１６１４号公報)では、光透過強度がステップ的に等間隔で変化する要素格子から構成された光学スケールを用いると共に上記光学スケールを透過した光を単一受光面で検出する受光器により移動量を検出する技術が開示されている。上記受光器による受光信号は非対称三角形の信号波形を有し、この信号波形が非対称三角形の受光信号の強度の変動率で移動方向と移動量を検出している。

また、特許文献２(特開２００７−２４８３５９号公報)では、光を透過する三角形パターンを有する移動スケールと、この移動スケールを透過した光を受光する受光素子とを有し、上記受光素子の受光信号により移動スケールの移動を検出する技術が開示されている。

また、特許文献３(特開昭６１−１３８１１１号公報)では、受光素子の受光部を三角形状として、被写体の測距を行う技術が開示されている。

また、特許文献４(特開昭６１−２９２０１６号公報)では、符号盤の光学トラックの光透過部からの光を受光して、位相の９０°ずつ異なる受光信号を出力するように４個の受光素子を配置して、この４個の受光素子から三角波信号を得る光学式エンコーダが開示されている。

また、特許文献５(特開２００１−１５３６８５号公報)では、スケールに低反射率の四角形のデジタルパターンと低反射率の三角形のアナログパターンを設け、上記スケールで反射された光を受光部で受光して、移動検出を行う光学式エンコーダが開示されている。

ところで、上述の特許文献１に開示されている技術では、移動体として用いられる光学スケールの形態により三角波を有する受光信号を受光器から得るので、受光信号がパルス信号である場合に比べて分解能が向上する。その上、上記三角波が非対称三角形波であれば、移動体の絶対位置を検出できるだけでなく、移動方向検知精度も向上する。

しかし、上述の特許文献１に示される技術では、光透過強度がステップ的に変動するスケールを作製しても、発光素子は発光波長、経年変化、ばらつき、外乱等により光量が変動する。その上、スケール位置により受光強度が変動するので、スケールの透過率以外にも光強度が変動する要因が多く存在し、受光信号がリニアに変動する三角波を形成することは非常に困難である。

そこで、リニアな三角波を得るために、上述の特許文献２では移動スケールに光を透過する三角形パターンを形成し、上述の特許文献３では受光素子の受光部を三角形状にする技術が提案されている。

しかし、四角形の加工パターンを形成するには、加工機械をＸ軸(１次元)で機械操作すれば作製可能であるに対して、上述の移動スケールや受光素子における三角形状の加工パターンは、Ｘ軸とＹ軸との２次元で加工機械を調整して製造する必要がある。このため、特に、数μｍオーダーの精度が要求される光学式エンコーダにおいては、リニアリティーを構築するのに限界がある。また、受光素子を作製する時のマスク形状は四角形であり、Ｘ軸とＹ軸に対して、角度を有するパターンはずれが生じ易い。

さらに、受光素子への受光像は、移動体が移動する時のスリットなどに起因して光が屈折し、受光面へ入射する光量の移動方向の勾配にばらつきが生じる。このため、勾配方向(移動方向)に傾きを有する三角形状では、受光面へ入射する光量の移動方向の勾配がばらついて変動した時に受光量の総量が変動し易く、移動スケールや受光素子に形成した三角形状の加工パターンの通りの三角波を得ることは難しい。

一方、上述の特許文献４に開示される光学式エンコーダでは、従来からある四角形状の光透過部(スリット)を用い、４個の受光素子も同一形状の四角形とすることで、この４個の受光素子が出力する受光信号から二等辺三角形の波形を有する三角波信号を得ている。

しかし、この特許文献４による方法は、分解能は向上するものの、受光信号から得られる三角波信号の波形が二等辺三角形であるので、電位値変動率が一定となり、移動体の絶対位置，移動方向の検出はできない。このため、特許文献４による方法では、移動体の方向を検出するためには２相の三角波信号が必要になる。

また、上述した特許文献５に開示の光学式エンコーダでは、スケールに三角形パターンだけでなく、四角形のデジタルパターンを形成することで、パルス数をカウントすることが可能となり、スケールの移動検出範囲を広げることが容易にできる。

しかし、この特許文献５の光学式エンコーダについても、スケールに２パターンを設けることにより、スケール面積が増大するので、光学特性の保持が難しい。つまり、スケールに入射する光が、平行光かつ発光密度が均一でなければ、受光部から得られる受光信号の三角波とデジタル波形の同期を取ることが困難となる。

特開平１１−１０１６１４号公報 特開２００７−２４８３５９号公報 特開昭６１−１３８１１１号公報 特開昭６１−２９２０１６号公報 特開２００１−１５３６８５号公報

そこで、この発明の課題は、光学部品の光学ばらつきの影響を回避しつつ受光素子からリニアに変動する非対称三角形波を得ることができ、１つの受光信号で移動体の移動方向を高精度に検出でき、移動体の絶対位置の検出が可能にな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、発光部と、
上記発光部からの光が到達し得る領域に配置されている第１の受光素子と、
上記第１の受光素子に対応する位置を通過するときに上記光が上記第１の受光素子に入射する状態にする光オン部および上記第１の受光素子に対応する位置を通過するときに上記光が上記第１の受光素子に入射しない状態にする光オフ部を有すると共に一方向に移動するときに上記光オン部と光オフ部が上記受光素子に対応する位置を交互に通過する移動体とを備え、
上記移動体の光オフ部の上記一方向の寸法である幅寸法は、上記光オン部の上記一方向の幅寸法の正の整数倍であり、
上記第１の受光素子は、
上記移動体の隣接する１対の光オン部と光オフ部の幅寸法を加算した１ピッチの幅寸法において、複数の段部を有する階段形状であり、各段部の幅寸法が上記光オン部の幅寸法に等しく、かつ、各段部の段差寸法が等しい受光面を有することを特徴としている。

この発明の光学式エンコーダによれば、上記第１の受光素子の各段部は、幅寸法が移動体の光オン部の幅寸法に等しいと共に段差寸法が互いに等しくなっており、階段形状の受光面を構成している。これにより、この第１の受光素子が出力する第１の受光信号は、上記移動体の移動に対応してリニアに変動すると共に移動方向の正逆に関して非対称な三角波形となる。この非対称な三角波形の第１の受光信号によって、移動体の移動方向を１信号にて高精度に検出できると共に移動体の絶対位置の検出が可能になる。

また、この発明によれば、上記第１の受光信号の非対称な三角波形の頂点の片側に対応する範囲において、移動体の各単位当たりの移動量に応じて受光面への照射面積が均等面積だけ増減するので、上記範囲において受光強度の変化率は常に一定であり、強度変化がばらつく懸念もない。

また、受光素子の受光面を三角形状にしたり、移動体に三角形状の光透過部を形成したりする必要がないので、光学式エンコーダに要求される数μｍオーダーの加工精度を確保できる。また、この発明によれば、三角形状の受光面を有する受光素子とは異なり、受光面へ入射する光量の移動方向の勾配(光量分布状態)がばらついて変動した時にも受光量の総量が変動することを回避でき、高精度な非対称三角波の波形をもった受光信号を確保できる。

また、この発明では、光オン部の幅寸法を光オフ部の幅寸法よりも狭く設定することで、光オフ部への光の回り込みの影響を低減でき、受光信号のばらつき特性が向上する。また、上記光オン部の幅寸法に対する光オフ部の幅寸法の比率を変えることで、上記第１の受光素子が出力する第１の受光信号の非対称三角形の波形を調整することが可能である。

また、一実施形態の光学式エンコーダは、上記第１の受光素子が出力する第１の受光信号の信号波形を中心レベルで反転させた信号波形である第２の受光信号を出力するように上記第１の受光素子の受光面を１８０°回転させた姿勢であると共に上記第１の受光素子の受光面と同形状である受光面を有する第２の受光素子を備える。

この実施形態によれば、上記第１の受光素子が出力する第１の受光信号と上記第２の受光素子が出力する第２の受光信号とが互いに反転しているので、上記第１，第２の受光信号を比較演算することで、ＳＮ比の向上を図れる。また、上記第１，第２の受光素子の互い受光面の階段形状の部分を組み合せることで組合せた全体としての受光面の形状を四角形にすることができ、単位幅寸法当たりの受光面の面積をより大きく確保できるので、ＳＮ比の向上に繋がる。

また、一実施形態の光学式エンコーダは、上記第１の受光素子と第２の受光素子からなる１組の受光素子を、上記移動方向に隣接して複数組備える。

この実施形態によれば、上記複数組の受光素子を備えたことで、移動体が光オフ部に比べて光オン部の領域が小さい場合、移動体の光オン部の一部が汚れ等により光透過率が悪化した場合等においても、ＳＮ比が低下することを回避できる。

また、一実施形態の光学式エンコーダは、上記第１の受光素子が出力する第１の受光信号と上記第２の受光素子が出力する第２の受光信号とが入力されると共に上記第１の受光信号と第２の受光信号とを差動演算する差動演算回路を備える。

この実施形態によれば、上記第１，第２の２つの受光信号を差動演算することで、ＳＮ比が倍にアップするだけではなく、受光信号のバラツキが平均化される。

また、一実施形態の光学式エンコーダは、上記差動演算回路によって差動演算された信号をＡＤ変換するＡＤ変換回路を備える。

この実施形態によれば、上記第１，第２の受光信号は、その非対称三角形の波形の１周期に傾きが変化する箇所が２箇所存在し、上記差動演算された信号波形は１周期に傾きが変化する箇所が２箇所存在する。よって、上記差動演算された信号をＡＤ変換することで、上記第１，第２の受光信号の非対称三角形の波形と同期の取れた上記１周期に１パルスのデジタル出力信号を得ることができる。したがって、例えば、上記デジタル出力信号により周期のカウントを行い、上記第１，第２の受光信号による三角波出力によって周期内の絶対位置を読み取ることが可能となる。これにより、より広範囲において絶対位置の検出が可能となる。

また、一実施形態の光学式エンコーダは、上記差動演算回路は、差動演算された信号として２系統の同一の電流信号を出力し、
上記ＡＤ変換回路には、上記２系統の電流信号のうちの一方の系統の電流信号が入力され、
さらに、上記２系統の電流信号のうちの一方の系統の電流信号が入力される帰還回路を備える。

この実施形態によれば、ＡＤ変換回路からは、上述した非対称三角波形の第１，第２の受光信号と同期の取れた１周期に１パルスのデジタル出力信号が得られる。また、上記帰還回路からは、基準電圧に対して安定した非対称三角波形の信号が得られる。また、上記ＡＤ変換回路と帰還回路は、同じ差動演算回路からの同一の電流信号から上記デジタル出力信号と非対称三角波形の信号を出力する。よって、上記デジタル出力信号と非対称三角波形の信号の同期が取れるだけでなく、信号間のばらつきも低減される。

また、一実施形態の電子機器は、上記光学式エンコーダを備えたことで、光学部品の特性ばらつきの影響を避けながら、リニアに変動する非対称三角形波が得られ、分解能が向上するだけでなく、光学設計が容易になる。よって、より小型のカメラのレンズフォーカスなど、モバイル機器（電子機器）に活用することが可能となる。さらに、上記差動演算回路を備えることによってＳＮ比の向上が図れ、上記ＡＤ変換回路を備えることによって上記非対象三角波に同期の取れたデジタル出力信号による広範囲な位置検出が可能となる。また、上記差動演算回路が２系統の同一の電流信号を出力することで信号間のばらつきも低減できる。ここで示す、電子機器とは通常光学式エンコーダが用いられるインクジェットプリンタ、複写機等FA機器の他、上記カメラ機器。又民生及び、産業用ロボット機器等、移動量検知を必要とする全ての機器を示す。

この発明の光学式エンコーダによれば、第１の受光素子の受光面が複数の段部を有する階段形状であり、各段部は幅寸法が移動体の光オン部の幅寸法に等しいと共に段差寸法が互いに等しいので、第１の受光素子が出力する第１の受光信号が移動体の移動に対応してリニアに変動すると共に移動方向の正逆に関して非対称な三角波形となるから、移動体の移動方向を１信号にて高精度に検出できると共に移動体の絶対位置の検出が可能になる。また、受光面が三角形状である場合と異なり、加工精度の確保が容易であると共に、受光面への入射光が移動方向にばらついた場合にも受光量の総量が変動することを回避でき、高精度な移動検出が可能になる。

この発明の光学式エンコーダの第１実施形態の受光素子の配置と受光信号波形を示す図である。 上記第１実施形態における受光動作を説明するための図である。 上記第１実施形態の比較例の受光素子の配置と受光信号波形を示す図である。 この発明の光学式エンコーダの第２実施形態の受光素子の配置と受光信号波形を示す図である。 この発明の光学式エンコーダの第３実施形態の受光素子の配置を示す図である。 この発明の光学式エンコーダの第４実施形態の受光回路を示す図である。 上記第４実施形態の受光回路の差動増幅器（差動演算回路）４３の回路の一例を示す図である。 上記第４実施形態の受光回路における各部の信号波形のシミュレーション結果を示す波形図である。 上記第１実施形態の受光面に受光像Ｚ１が照射されている様子を示す図である。 上記第１実施形態の受光面に受光像Ｚ２が照射されている様子を示す図である。 上記第１実施形態の比較例の受光面に受光像Ｚ１が照射されている様子を示す図である。 上記第１実施形態の比較例の受光面に受光像Ｚ２が照射されている様子を示す図である。

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。

(第１の実施の形態)
この発明の光学式エンコーダの第１実施形態は、図１に示すように、移動体としてのスケール１と、上記スケール１に光を照射する発光部２と、この発光部２からスケール１を経由して光を受光する第１の受光素子３を有する。上記発光部２は、一例として発光ダイオード等で構成され、一例として、スケール１の裏側(図１の紙面の奥側)に上記スケール１に対向するように配置される。

一方、第１の受光素子３は、一例としてフォトダイオード等で構成され、発光部２から出射されてスケール１を通過した光が受光面４に入射するように、受光面４がスケール１に対向するように配置されている。すなわち、この受光面４が、図１に描かれているスケール１の対向面に対向するように配置される。

また、上記スケール１は、発光部２からの光を透過する光オン部５と、発光部２からの光を透過しない光オフ部６とを有し、この光オン部５と光オフ部６とが移動方向Ｘに向かって交互に配置されている。また、この実施形態では、上記光オフ部の上記移動方向Ｘの寸法である幅寸法は、この実施形態では、上記光オン部６の上記移動方向Ｘの寸法である幅寸法Ｌの３倍(３Ｌ)である。

また、上記第１の受光素子３の受光面４は、上記移動方向Ｘの寸法が、光オン部５の幅寸法と光オフ部６の幅寸法との和(Ｌ＋３Ｌ)つまりスケール１の１ピッチＰに等しい。すなわち、第１の受光素子３の幅寸法は、上記光オン部５の幅寸法Ｌの４倍である。また、上記第１の受光素子３の受光面４は、４つの段部４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄを有する階段形状である。また、各段部４Ａ〜４Ｄの幅寸法は上記光オン部５の幅寸法Ｌに等しい。また、各段部４Ａ〜４Ｄの段差寸法ｄは等しい。なお、上記スケール１の光オン部５の上記移動方向Ｘと直交する方向の長さは、上記第１の受光素子３の段差寸法ｄの４倍よりも長い。

上記構成の光学式エンコーダにおいて、上記スケール１が移動方向Ｘに移動して、上記発光部２から出射されて上記スケール１の光オン部５を透過した光が受光素子３の受光面４の段部４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄに順に入射する。これにより、上記受光素子３は、受光面４に入射する光量に応じて受光信号Ａ＋を出力する。この受光信号Ａ＋の信号波形は、図１の下欄に示すように、移動方向の正逆に関して非対称の三角形波である。スケール１が上記移動方向に１ピッチだけ移動することによって、受光信号Ａ＋の１周期Ｔの非対称三角形波が得られる。

次に、図２を参照して、上記受光素子３から上記非対称三角形波の受光信号Ａ＋が得られる過程の一部を説明する。

先ず、スケール１の隣接する光オン部５と光オフ部６との境界Ｃ１が、受光面４の１段目の段部４Ａと２段目の段部４Ｂとの境界の箇所(0)に対応する位置にあるときに、上記スケール１から受光面４へ光が入射する面積は、１段目の段部４Ａの面積(３×Ｓ１)となる。このとき、受光面４へ光が入射する面積は最小であり、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋の非対称三角形波の下限値Ｑ０に対応している。

次に、上記境界Ｃ１が、移動方向Ｘに(１/３)Ｌ１だけ移動して、上記境界の箇所(0)に対応する位置から受光面４の２段目の段部４Ｂの箇所(1)に対応する位置に達すると、受光面４の１段目の段部４Ａの入射面積が面積Ｓ１だけ減少する一方、２段目の段部４Ｂの入射面積が面積Ｓ２＝２×Ｓ１だけ増加する。よって、受光面４への光の入射面積は、１段目の段部４Ａの面積の３分の１の面積Ｓ１だけ増加する。この面積Ｓ１は、段部４Ａの幅寸法Ｌ×(１/３)×段差寸法ｄである。このとき、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋は、非対称三角形波の値Ｑ１に対応している。なお、図２に示す箇所(1)と箇所(2)は、２段目の段部４Ｂの幅寸法Ｌを３等分する位置としている。

次に、スケール１の隣接する光オン部５と光オフ部６との境界Ｃ１が、受光面４の２段目の段部４Ｂの箇所(1)に対応する位置から、上記移動方向Ｘに移動距離(１/３)Ｌだけ移動して、上記境界Ｃ１が段部４Ｂの箇所(2)に対応する位置に達すると、受光面４の１段目の段部４Ａの入射面積がさらに面積Ｓ１だけ減少する一方、２段目の段部４Ｂの入射面積がさらに面積Ｓ２だけ増加する。これにより、受光面４の入射面積が領域Ｓ１の分だけ増加する。このとき、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋は、非対称三角形波の値Ｑ２に対応している。

次に、上記境界Ｃ１が、上記２段目の段部４Ｂの箇所(2)に対応する位置から３段目の段部４Ｃの箇所(3)に対応する位置に移動したとする。なお、上記箇所(3)と箇所(4)は、段部４Ｃの幅寸法Ｌを３等分する位置としている。よって、上記移動距離は、(１/３)Ｌ＋(１/３)Ｌ＝(２/３)Ｌである。この(２/３)Ｌの移動によって、上記１段目の段部４Ａの面積Ｓ１と２段目の段部４Ｂの面積Ｓ２の分だけ入射面積が減少すると同時に、２段目の段部４Ｂの面積Ｓ２と３段目の段部４Ｃの面積Ｓ３の分だけ入射面積が増加する。よって、上記(２/３)Ｌの移動によって、受光面４の全体としては、光の入射面積は、（Ｓ３−Ｓ１）＝２Ｓ１だけ増加する。このとき、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋は、非対称三角形波の値Ｑ３に対応している。

次に、上記境界Ｃ１が、上記２段目の段部４Ｂの箇所(3)に対応する位置から３段目の段部４Ｃの箇所(4)に対応する位置に(１/３)Ｌだけ移動したとする。この(１/３)Ｌの移動によって、上記２段目の段部４Ｂは入射面積が面積Ｓ２だけ減少すると共に上記３段目の段部４Ｃは入射面積が面積Ｓ３だけ増加する。よって、上記(１/３)Ｌの移動によって、受光面４の全体としては、光の入射面積は、(Ｓ３−Ｓ２)＝Ｓ１だけ増加する。このとき、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋は、非対称三角形波の値Ｑ４に対応している。

次に、上記境界Ｃ１が、３段目の段部４Ｃの箇所(4)に対応する位置から４段目の段部４Ｄの端の箇所(5)に対応する位置まで(４/３)Ｌだけ移動したとする。この(４/３)Ｌの移動によって、受光面４の入射面積は、４段目の段部４Ｄの面積３×Ｓ４となる。よって、受光面４の入射面積は、この(４/３)Ｌの移動の前の(Ｓ２＋２×Ｓ３)から(３×Ｓ４）へ４×Ｓ１だけ増加する。このとき、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋は、非対称三角形波の上限値Ｑ５に対応している。また、上述の下限値Ｑ０から上限値Ｑ５までの三角形波の傾斜は一定である。

次に、上記境界Ｃ１が、さらに、移動方向ＸにＬだけ移動することで、受光面４の１段目の段部４Ａだけに光が入射する。これにより、受光面４の光が入射する面積が、(１２×Ｓ１−３×Ｓ１)＝９×Ｓ１だけ減少して、受光面４への入射面積が段部４Ａの面積つまり３×Ｓ１になる。これにより、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋の非対称三角形波は、下限値Ｑ０に戻る。

このように、非対称三角形波である受光信号Ａ＋の１周期Ｔが、スケール１が１ピッチＰ＝４×Ｌ１だけ移動することに対応している。そして、受光信号Ａ＋の下限値Ｑ０から上限値Ｑ５に対応する領域では、スケール１が移動方向Ｘに(１/３)Ｌだけ移動する毎に、受光素子３の受光面４の入射面積が、面積Ｓ１分だけ増加する。つまり、上記スケール１が移動方向Ｘに光オン部５の幅寸法Ｌだけ移動する毎に、受光面４への入射光量が１段目の段部４Ａの受光面積分だけ増加する。したがって、スケール１の上記境界Ｃ１が、受光面４の１段目の段部４Ａと２段目の段部４Ｂとの境界(0)に対応する位置から、４段目の段部４Ｄの端の箇所(5)に対応する位置まで移動方向Ｘに１ピッチＰの４分の３だけ移動することによって、受光面４に光が入射する面積が１段目の段部４Ａの受光面積(３×Ｓ１)から４段目の段部４Ｄの受光面積(１２×Ｓ１)へリニアに増大する。よって、スケール１の境界Ｃ１が上記箇所(0)に対応する位置から箇所(5)に対応する位置まで(３/４)Ｐだけ移動することによって、受光面４の受光量がリニアに増大し、図１の下欄に示す受光信号Ａ＋は、下限値Ｑ０から上限値Ｑ５まで一定の傾斜で増大する。また、スケール１の境界Ｃ１が箇所(5)に対応する位置からさらに、移動方向ＸにＬだけ移動することで、受光面４の受光量がリニアに減少し、上記受光信号Ａ＋は、上限値Ｑ５から下限値Ｑ０まで一定の傾斜で減少する。

こうして、上記スケール１が移動方向Ｘへ移動することによって、上記受光素子３から図１の下欄に示す非対称三角形波形の受光信号Ａ＋が得られる。また、上記スケール１が移動方向Ｘとは逆の方向へ移動することによって、図１の下欄に破線で示す非対称三角形波形の受光信号Ａ−が得られる。この受光信号Ａ−のＱ０からＱ５までの増加の傾きが受光信号Ａ＋のＱ５からＱ０までの減少の傾きに相当し、受光信号Ａ−のＱ５からＱ０までの減少の傾きが受光信号Ａ＋のＱ０からＱ５までの増加の傾きに相当している。

ここで、図３を参照して、上記実施形態の比較例(特開昭６１‐２９２０１６号公報に対応)を説明する。この比較例では、スケール１０１が有する光オン部１０２の移動方向の幅寸法Ｍと光オフ部１０３の移動方向の幅寸法Ｍとが等しくなっている。また、このスケール１０１の１ピッチＰ＝２Ｍに対して、４つの受光素子１０５,１０６,１０７,１０８が配置され、各受光素子１０５〜１０８の幅寸法は、(１/２)Ｍである。また、スケール１０１が移動方向Ｘに移動すると、受光素子１０５が出力する受光信号Ａ＋は、台形波となる。また、受光素子１０６が出力する受光信号Ｂ＋は、受光信号Ａ＋に対して位相が９０°遅れた台形波となる。また、受光素子１０７,１０８が出力する受光信号Ａ−,Ｂ−も位相が順に９０°ずつ遅れた台形波となる。そして、上記受光信号Ａ＋と受光信号Ｂ＋を加算することにより、二等辺三角形波である信号((Ａ＋)＋(Ｂ＋))が得られる。この比較例は、インクジェットプリンタ等に多く使われているが、上述のような二等辺三角形波の信号では、１周期内の絶対位置が検出できないので、カメラフォーカス等の微小動作範囲での使用や小型化には不向きである。

これに対して、本実施形態によれば、図１に示すような非対称三角形波形の受光信号Ａ＋が得られるので、１周期内の絶対位置が検出可能になり、微小動作や小型化に最適と言える。

ここで、図９Ａ,図９Ｂを参照して、本実施形態において、スケール１の光オン部５から受光素子３の受光面４に照射される受光像がばらついた場合の動作について説明する。まず、図９Ｂに例示される受光像Ｚ２は、中央の領域Ｕ１で光強度が高くＷ１であり、中央の領域Ｕ１の両脇の領域Ｕ２a,Ｕ２ｂでは中央の領域Ｕ１よりも光強度が低くＷ２ａ,Ｗ２ｂである。

次に、図９Ａに例示される受光像Ｚ１は、中央の領域Ｕ１で光強度が高くＷ１であり、中央の領域Ｕ１の両脇の領域Ｕ２ａ,Ｕ２ｂでは光強度がＷ３ａ,Ｗ３ｂである。この光強度Ｗ３ａ,Ｗ３ｂは受光像Ｚ２の領域Ｕ２の光強度Ｕ２よりも低い。さらに、受光像Ｚ１は、領域Ｕ２ａ,Ｕ２ｂの両脇の領域Ｕ３ａ,Ｕ３ｂを有し、この領域Ｕ３ａ,Ｕ３ｂでは、上記領域Ｕ２ａ,Ｕ２ｂの光強度Ｗ３ａ,Ｗ３ｂよりも低い光強度Ｗ４ａ,Ｗ４ｂになっている。すなわち、図９Ｂの受光像Ｚ２の光強度Ｗ２の領域Ｕ２ａ,Ｕ２ｂが拡散して、図９Ａの受光像Ｚ１の領域Ｕ２ａ,Ｕ２ｂとＵ３ａ,Ｕ３ｂになっている。なお、上記受光像Ｚ１とＺ２の様な光量分布のばらつきは、スケール１の移動時に光オン部５等に起因して光が屈折することによって発生する。

ここで、この実施形態の受光素子３の受光面４によれば、図９Ａに示す受光像Ｚ１による受光総量は、図９Ｂに示す受光像Ｚ２による受光総量と等しくなることが分かる。

一方、図１０Ａ,図１０Ｂに例示される比較例では、受光面２０４が三角形になっている。ここで、前述と同様に、図１０Ｂの受光像Ｚ２の光強度Ｗ２の領域Ｕ２ａ,Ｕ２ｂが拡散して、図１０Ａの受光像Ｚ１の領域Ｕ２ａ,Ｕ２ｂとＵ３ａ,Ｕ３ｂになっている。この場合、この三角形の受光面２０４では、図１０Ｂの受光像Ｚ２から図１０Ａの受光像Ｚ１へ拡散した場合、図１０Ａにおいて中央領域Ｕ１の左側の領域Ｕ２ａ,Ｕ３ａによる受光総量は、図１０Ｂにおいて中央領域Ｕ１の左側の領域Ｕ２ａによる受光総量よりも減少する。一方、図１０Ａにおいて中央領域Ｕ１の右側の領域Ｕ２ｂ,Ｕ３ｂによる受光総量は、図１０Ｂにおいて中央領域Ｕ１の右側の領域Ｕ２ｂによる受光総量よりも増加する。ここで、図１０Ｂの右側の領域Ｕ２ｂの光量と図１０Ｂの左側の領域Ｕ２ａの光量とが同じであると共に図１０Ａの右側領域Ｕ２ｂ,Ｕ３ｂでの拡散と左側領域Ｕ２ａ,Ｕ３ａでの拡散とが同様である場合を除いて、上記受光総量の減少量と上記受光総量の増加量とは異なる。したがって、この比較例の受光面２０４によれば、上記場合を除いて、図１０Ａに示す受光像Ｚ１による受光総量は、図１０Ｂに示す受光像Ｚ２による受光総量と異なってくる。

これに対して、本実施形態の受光素子３の受光面４によれば、図９Ｂの中央領域Ｕ１の右側の領域Ｕ２ｂによる受光総量は、図９Ａの中央領域Ｕ１の右側の領域Ｕ２ｂ,Ｕ３ｂによる受光総量に等しくなり、かつ、図９Ｂの中央領域Ｕ１の左側の領域Ｕ２ａによる受光総量は、図９Ａの中央領域Ｕ１の左側の領域Ｕ２ａ,Ｕ３ａによる受光総量に等しくなる。よって、本実施形態の受光面４によれば、受光面４への受光像がＺ２からＺ１へ拡散しても受光総量は変動しないので、光学式エンコーダ特有の光量バラツキの影響を軽減でき、高精度な移動情報が得られる。

尚、上記実施形態では、移動体であるスケール１の光オフ部６の幅寸法を光オン部５の幅寸法の３倍にしたが、光オフ部６の幅寸法を光オン部５の幅寸法の２倍あるいは４倍以上の整数倍としてもよい。

(第２の実施の形態)
次に、図４を参照して、この発明の光学式エンコーダの第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、第１の受光素子３に加えて、第２の受光素子２３を備えた点だけが、前述の第１実施形態と異なる。よって、この第２実施形態では、前述の第１実施形態と同じ部分には同じ符号を付して、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明する。

この第２の受光素子２３が有する受光面２４は、第１の受光素子３の受光面４と同じ形状であり、４つの段部２４Ａ,２４Ｂ,２４Ｃ,２４Ｄを有する階段形状である。また、この第２の受光素子２３の受光面２４は、第１の受光素子３の受光面４を１８０°回転させた姿勢である。また、上記第１の受光素子３の受光面４の段部４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄに第２の受光素子２３の受光面２４の段部２４Ｄ,２４Ｃ,２４Ｂ,２４Ａを組合せるように第１,第２の受光素子３,２３を配置している。これにより、受光面４と受光面２４とが組合せられた受光面は全体としての四角形状になっている。

上記構成の光学式エンコーダでは、上記スケール１が移動方向Ｘに移動すると、上記第１の受光素子３は、前述の第１実施形態で述べたように、図１の下欄に示す１周期Ｔの非対称三角形波の第１の受光信号Ａ＋を出力する。一方、上記第２の受光素子２３は、図４の下欄に示す１周期Ｔの非対称三角形波の第２の受光信号Ａ−を出力する。この第２の受光信号Ａ−は、第１の受光信号Ａ＋の信号波形を中心レベルで反転させた信号波形である。上記第１の受光信号Ａ＋と第２の受光信号Ａ−とが互いに反転しているので、上記第１,第２の受光信号Ａ＋,Ａ−を比較演算することで、ＳＮ比の向上を図れる。

また、受光面４と２４との組合せにより全体としての四角形状の受光面になるので、スケール１の移動時に全体としての受光面への受光量をより多くできて、ＳＮ比の向上を図れる。

(第３の実施の形態)
次に、図５を参照して、この発明の光学式エンコーダの第３実施形態を説明する。この第３実施形態は、上記第１の受光素子３と第２の受光素子２３との組み合わせた受光素子対３１を上記移動方向に隣接して複数対備えた点だけが前述の第２実施形態と異なる。よって、この第３実施形態では、前述の第２実施形態と同じ部分には同じ符号を付して、前述の第２実施形態と異なる点を主として説明する。

この第３実施形態では、上記複数の受光素子対３１を備えたので、複数の第１の受光素子３からの第１の受光信号Ａ＋を加算し、複数の第２の受光素子２３からの第２の受光信号Ａ−を加算することにより、一部の光オン部５が汚れ等により透過率が悪い状態であっても信号が平均化され、ＳＮ比が低下することを回避してＳＮ比を保持できる。

なお、上記移動方向に隣接して配置した複数の第１の受光素子３を一体に形成した１つの受光素子とし、上記移動方向に隣接して配置した複数の第２の受光素子２３を一体に形成した１つの受光素子としてもよい。

(第４の実施の形態)
次に、図６を参照して、この発明の光学式エンコーダの第４実施形態を説明する。この第４実施形態は、前述の第２実施形態の光学式エンコーダの第１の受光素子３と第２の受光素子２３を備える。

また、この第４実施形態は、上記第１の受光素子３が出力する第１の受光信号Ａ＋を対数圧縮する１段目の増幅器４１と、第２の受光素子２３が出力する第２の受光信号Ａ−を対数圧縮する１段目の増幅器４２を備える。また、この第４実施形態は、上記増幅器４１からの増幅信号と増幅器４２からの増幅信号とが入力される差動増幅器（差動演算回路）４３と、この差動増幅器（差動演算回路）４３が出力する２系統の同一の電流信号のうちの一方の系統の電流信号が入力されるＡＤ変換器（ＡＤ変換回路）４５と、２系統の同一の電流信号のうちの一方の系統の電流信号が入力される帰還回路４６を備える。この帰還回路４６は、コンパレータ４７と抵抗４８と基準電圧部４９とを有する。

この第４実施形態では、第１,第２の受光素子３,２３からの第１,第２の受光信号Ａ＋,Ａ−を増幅器４１,４２で対数圧縮することで、光量依存性を除去する。また、上記対数圧縮した第１,第２の受光信号Ａ＋,Ａ−を差動増幅器（差動演算回路）４３で差動演算することで、第１の受光信号Ａ＋と第２の受光信号Ａ−との差に対応した差動出力信号が得られる。これにより、ＳＮ比が倍になるだけでなく、スケール１と受光素子３,２３とが互いに傾いた場合にも、この傾きの影響が相殺されて、ＳＮ比を保持できる。

また、差動増幅器（差動演算回路）４３では、１段目の増幅器４１,４２で対数圧縮された受光信号Ａ＋,Ａ−が伸張され、上記差動出力信号としての非対称三角波形の電流信号をＡＤ変換器（ＡＤ変換回路）４５へ出力する。このＡＤ変換器（ＡＤ変換回路）４５では、上記非対称三角波形の電流信号が１/０信号に変換され、上記非対称三角形波形の電流信号と同期の取れた１周期Ｔに１パルスのデジタル出力信号が得られる。したがって、例えば、上記デジタル出力信号により周期のカウントを行い、上記第１，第２の受光信号Ａ＋，Ａ−による三角波出力によって１周期内の絶対位置を読み取ることが可能となる。これにより、より広範囲において絶対位置の検出が可能となる。

また、この第４実施形態では、差動増幅器（差動演算回路）４３が、２系統の同一の電流信号を出力し、そのうちの一方の系統の電流信号が帰還回路４６に入力される。この帰還回路４６により、基準電圧部４９による基準電圧に対して安定した非対称三角波形のアナログ電圧出力が得られる。これにより、上記ＡＤ変換器（ＡＤ変換回路）４５が出力するデジタル出力信号と上記帰還回路４６が出力する非対称三角波形のアナログ電圧出力との同期が取れるだけでなく、上記デジタル出力信号とアナログ電圧出力との間のばらつきも低減される。

図７に、上記差動増幅器（差動演算回路）４３を構成する回路の一例を示す。この回路例では、差動増幅回路（差動演算回路）８１と２つのカレントミラー回路８２,８３とを備え、上記カレントミラー回路８２が出力する電流信号が帰還回路４６へ入力され、上記カレントミラー回路８３が出力する電流信号がＡＤ変換器（ＡＤ変換回路）４５へ入力される。この２つのカレントミラー回路８２,８３が出力する電流信号は電流値が一致していて、同期が取れているだけでなく、第１,第２の受光信号Ａ＋,Ａ−のばらつきに対しても同様の変動を示すので、上記デジタル出力信号とアナログ電圧出力との間のばらつきも低減される。

次に、図８の波形図に、図６の回路図における各部の信号波形のシミュレーション結果を示す。図８では、横軸は時間(μ秒)であり、縦軸は、各信号の信号値(振幅)を示している。第１の受光信号Ａ＋の波形は、前述したように、非対称三角波形であり、第２の受光信号Ａ−の波形は、第１の受光信号Ａ＋を中央レベル(０．６μＡ)で反転させた非対称三角波形になっている。また、上記差動増幅器（差動演算回路）４３が出力する差動出力信号は、第１の受光信号Ａ＋と第２の受光信号Ａ−との差に対応した三角波形になっている。そして、この三角波形の差動出力信号が入力される帰還回路４６が出力する非対称三角波形のアナログ電圧出力Ａoutは、第１の受光信号Ａ＋と第２の受光信号Ａ−との差に対応した三角波アナログ電圧になっている。

また、上記ＡＤ変換器（ＡＤ変換回路）４５が出力するデジタル出力信号Ｄoutは、非対称三角波形の第１,第２の受光信号Ａ＋,Ａ−と同期の取れた１周期Ｔに１パルスのパルス波形になっている。

なお、この第４実施形態では、上述の第２実施形態の１対の第１の受光素子３と第２の受光素子２３を備える場合を説明したが。上述の第３実施形態の複数対の受光素子対３１を備えてもよい。この場合、複数の第１の受光信号Ａ＋が加算されて１段目の増幅器４１に入力され、複数の第２の受光信号Ａ−が加算されて１段目の増幅器４２に入力される。よって、信号が平均化され、ＳＮ比の低下を防止できる。

１ スケール
２ 発光部
３,２３ 受光素子
４,２４ 受光面
４Ａ〜４Ｄ,２４Ａ〜２４Ｄ 段部
５ 光オン部
６ 光オフ部
２３ 第２の受光素子
４１,４２ 増幅器
４３ 差動増幅器（差動演算回路）
４５ ＡＤ変換器（ＡＤ変換回路）
４６ 帰還回路
８１ 差動増幅回路
８２,８３ カレントミラー回路
Ｃ１ 境界
Ｚ１,Ｚ２ 受光像

Claims (7)

1. 発光部と、
   上記発光部からの光が到達し得る領域に配置されている第１の受光素子と、
   上記第１の受光素子に対応する位置を通過するときに上記光が上記第１の受光素子に入射する状態にする光オン部および上記第１の受光素子に対応する位置を通過するときに上記光が上記第１の受光素子に入射しない状態にする光オフ部を有すると共に一方向に移動するときに上記光オン部と光オフ部が上記第１の受光素子に対応する位置を交互に通過する移動体とを備え、
   上記移動体の光オフ部の上記一方向の寸法である幅寸法は、上記光オン部の上記一方向の幅寸法の正の整数倍であり、
   上記第１の受光素子は、
   上記移動体の隣接する１対の光オン部と光オフ部の幅寸法を加算した１ピッチの幅寸法において、複数の段部を有する階段形状であり、各段部の幅寸法が上記光オン部の幅寸法に等しく、かつ、各段部の段差寸法が等しい受光面を有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、
   上記第１の受光素子が出力する第１の受光信号の信号波形を中心レベルで反転させた信号波形である第２の受光信号を出力するように上記第１の受光素子の受光面を１８０°回転させた姿勢であると共に上記第１の受光素子の受光面と同形状である受光面を有する第２の受光素子を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 請求項２に記載の光学式エンコーダにおいて、
   上記第１の受光素子と第２の受光素子からなる１組の受光素子を、上記移動方向に隣接して複数組備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
4. 請求項２または３に記載の光学式エンコーダにおいて、
   上記第１の受光素子が出力する第１の受光信号と上記第２の受光素子が出力する第２の受光信号とが入力されると共に上記第１の受光信号と第２の受光信号とを差動演算する差動演算回路を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
5. 請求項４に記載の光学式エンコーダにおいて、
   上記差動演算回路によって差動演算された信号をＡＤ変換するＡＤ変換回路を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
6. 請求項５に記載の光学式エンコーダにおいて、
   上記差動演算回路は、
   差動演算された信号として２系統の同一の電流信号を出力し、
   上記ＡＤ変換回路には、上記２系統の電流信号のうちの一方の系統の電流信号が入力され、
   さらに、上記２系統の電流信号のうちの一方の系統の電流信号が入力される帰還回路を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載の光学式エンコーダを備えた電子機器。