JP6123024B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

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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、特に、複写機、プリンターなどの印刷機器、FA(ファクトリオートメーション)機器、カメラ等におけるレンズフォーカス調整装置、クランクシャフトの回転角、速度等を検出する車用速度検出装置等に用いると好適な光学式エンコーダに関する。
に関する。
従来、光学式エンコーダとしては、特許文献1(特開昭59−40258号公報)に記載のように、移動体の投光部と遮光部に配置されたフォトダイオード間の差動出力を用いて、移動体の位置、移動速度等を検出するようにしたものがある。
また、特許文献2(特開2013−195180号公報)には、検知物の凹凸部の凹部を凸部の1/2より大きくした光学式エンコーダが記載されている。
また、特許文献3(特開2014−2078号公報)には、フォトダイオード分解能切り替え機能を有し、切り替えに応じて基準電圧を変更する光学式エンコーダが記載されている。
特許文献4(特開2007−17390号公報)には、隣接するフォトダイオードの出力それぞれをデジタル出力し、デジタル信号の検出順序にて移動体の回転、移動方向を出力する光学式エンコーダが記載されている。
特開昭59−40258号公報 特開2013−195180号公報 特開2014−2078号公報 特開2007−17390号公報
しかしながら、上記従来の光学式エンコーダでは、次のような問題がある。
特許文献1のように、移動体の移動速度、移動方向を検出する光学式エンコーダでは、移動体のスリット幅に比例したフォトダイオードを配置するため、移動体のスリット幅の異なるものでは移動速度、移動方向の検出ができない。つまり、検出精度は、移動体スリット幅の精度に依存するという問題がある。
また、LED(発光ダイオード)に平行光が得られない場合は、光非検知部にも光が回り込み、発光―受光間距離に応じてデューティ比が悪化する。つまり、特許文献1の光学式エンコーダの検出精度が光学系に依存するという問題がある。
特許文献2の光学式エンコーダでは、凹凸を有する検知物においても凹凸に応じてフォトダイオードを配置する必要があり、上記と同様な問題が生じる。
特許文献3の光学式エンコーダでは、分解能切り替え機能を有するものの、切り替えが限定されており、上記と同様な問題が生じる。
移動体のスリット幅に依存しない方法として、特許文献4に示すように赤外線輻射による検出方法がある。この方法ではスリット幅に依存しないものの、設定するスレッショルドレベルに応じて分解能が変動するため、光学条件のばらつきにより大きな特性バラつきが生じる。他の先例が2つのフォトダイオード間の差動演算を行うのに対して、単一フォトダイオードにて処理するため、移動方向の検出に誤動作が生じる可能性もある。
そこで、この発明の課題は、移動体のスリットや反射領域の分解能に依存しなく、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比(信号雑音比)を高く保持できて、精度高く、移動体の位置、移動速度等を検出でき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、
隣接して順に配置された第1、第2および第3の受光素子と、
入光が先行する上記第1の受光素子の出力レベルよりも、その第1の受光素子よりも入光が遅延する上記第2の受光素子の出力レベルが上回ったときに、検知トリガを出力する一方、上記第2の受光素子の出力レベルよりも、上記第2の受光素子よりも入光が遅延する上記第3の受光素子の出力レベルが上回ったときに、非検知トリガを出力する検知信号生成部と
を備えることを特徴としている。
1実施形態の光学式エンコーダは、
上記第2の受光素子の光軸と略重なる光軸を有する発光素子と、
上記第1および第3の受光素子の受光開口部を絞る窓部と
を備える。
1実施形態の光学式エンコーダでは、
上記第1、第2および第3の受光素子の受光部の面積が略同一である。
1実施形態の光学式エンコーダでは、
上記第1、第2および第3の受光素子の組を、2組並置している。
1実施形態の光学式エンコーダは、
上記第1、第2および第3の受光素子の夫々にスイッチを介して並列に接続可能な容量と、
上記スイッチを制御するスイッチ制御回路と
を備える。
この実施形態の電子機器は、
上述の光学式エンコーダを備える。
この発明の光学式エンコーダによれば、移動体のスリットや反射領域の分解能に依存しなく、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比(信号雑音比)を高く保持できて、精度高く、移動体の位置、移動速度等を検出できる。
図1−1,1−2は、この発明の第1実施形態の光学式エンコーダにおけるフォトダイオードの配置と受光量変動との関係を示す図であり、図1−1は、移動体と窓部との間の距離が大きい場合を示し、図1−2は、移動体と窓部との間の距離が図1−1の場合よりも小さい場合を示している。 図2−1および図2−2は、第1〜第3のフォトダイオードと移動体との間の距離が4mmのときの第1〜第3のフォトダイオードの受光量の光学シミュレーション結果を示す図である。 図3−1および図3−2は、第1〜第3のフォトダイオードと移動体との間の距離が8mmのときの第1〜第3のフォトダイオードの受光量の光学シミュレーション結果を示す図である。 この発明の第1実施形態の光学式エンコーダの回路ブロック図である。 図5−1,5−2,…,5−5は、この発明の第1実施形態の光学式エンコーダの各部の波形を示し、図5−1は、第1〜第3のフォトダイオードからの入力(入力光電流)を示し、図5−2は、セット信号を示し、図5−3は、リセット信号を示し、図5−4は、RSフリップフロップの出力波形を示し、図5−5は、論理回路からの出力電圧を示す。 この発明の第1実施形態の光学式エンコーダの論理回路の詳細ブロック図である。 図7−1および図7−2は、入射光量が変動しても、出力の交差点が変動しないことを説明する図である。 この発明の第2実施形態の光学式エンコーダの要部のブロック図である。 この発明の第3実施形態の光学式エンコーダの要部のブロック図である。 この発明の第4実施形態の光学式エンコーダの動作を説明するための波形図である。 この発明の第4実施形態の光学式エンコーダの動作を説明するための波形図である。 この発明の第5実施形態の光学式エンコーダの要部のブロック図である。 この発明の第6実施形態の光学式エンコーダの要部のブロック図である。
以下、この発明を図示の実施形態により、詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1−1に示すように、第1、第2および第3の受光素子の一例としての第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cを移動体10に平行に、移動体10の移動方向に、順に等間隔に配置している。上記第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cは、同一のピッチZで配列している。上記第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの受光部の面積は略同一である。
また、発光素子の一例としての発光ダイオード(LED)5を、第2のフォトダイオードBに関して移動体10と反対側に配置し、かつ、発光ダイオード5の光軸が第2のフォトダイオードBの光軸と略重なるようにしている。尚、LED5からの直接光が第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cに入光せず、移動体10の反射光を検出できるよう遮光板がある(図示せず)ものとする。
また、上記移動体10と、第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cとの間に、窓部7を設けている。この窓部7は、第1および第3のフォトダイオードA,Cの受光開口部の一部に光軸方向に重なり、第1および第3のフォトダイオードA,Cの受光開口部を絞っている。
上記移動体10は、反射領域11と透過領域12を等間隔に交互に有する。上記反射領域11と透過領域12とは、移動方向に同じ長さXを有する。この第1実施形態の光学式エンコーダは、反射型のエンコーダであるが、透過型のエンコーダの場合は、図示しないが、発光ダイオードを、移動体に関して、第1実施形態と反対側に設ければよい。
図1−1において、L1は、移動体10の下面と窓部7の上端面との間の距離であり、Yは、第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの上端面を通る平面と、窓部7の上端面を通る平面との距離であり、Q1は、反射領域11からの反射光が第1のフォトダイオードAに入射し始めてから、移動体10の移動につれて、その反射領域11からの反射光が第2のフォトダイオードBに入射するまでの反射領域11の移動距離(つまり、移動体10の移動距離)を表す。
図1−2では、移動体10と窓部7との距離L2が、図1−1の移動体10と窓部7との距離L1よりも小さくなっている。Q2は、反射領域11からの反射光が第1のフォトダイオードAに入射し始めてから、移動体10の移動につれて、その反射領域11からの反射光が第2のフォトダイオードBに入射するまでの反射領域11の移動距離(つまり、移動体10の移動距離)を表す。これ以外は、図1−2に示す構成要素は、図1−1に示す構成要素と同じなので、同一構成要素については、同一参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
図1−1において、Piは、発光ダイオード5の出射光量に対応する所定の光量、P1は、第1のフォトダイオードAが受ける光量、P2は、第2のフォトダイオードBが受ける光量、P3は、第3のフォトダイオードCが受ける光量を表す。また、(図1−2)において、P1’は、第1のフォトダイオードAが受ける光量、P2’は、第2のフォトダイオードBが受ける光量、P3’は、第3のフォトダイオードCが受ける光量を表す。
また、図1−1および図1−2において、Tsは、検知トリガを出力する時点、Teは、非検知トリガを出力する時点を表す。
図1−1、図1−2において、受光量P1,P1’は、
P1=Pi/L1^4
P1’=Pi/L2^4
となる。
ここで、受光量が、距離L1,L2の4乗に逆比例して減少するのは、光量が、窓部7を通った光が移動体10の反射領域11で反射されるまで、2乗に逆比例して減少し、さらに、反射領域11で反射されてから、窓部7に至るまで、2乗に逆比例して減少するから、結局、距離L1,L2の4乗に逆比例して減少すると仮定できるからである。こうすると、実際の値に相当する妥当な光量が得られる。
また、上記移動距離Q1,Q2は、図1−1、図1−2において、三角形の相似の関係から、
L1:Y=Q1:Z → Q1=L1*Z/Y
L2:Y=Q2:Z → Q2=L2*Z/Y
となる。
上記構成の光学式エンコーダにおいて、今、図1−1において、移動体10が図中の矢印に示す方向に移動しているとすると、移動体10の右端の反射領域11からの反射光は、細線に示すように、反射領域11の先端から窓部7の右のコーナの上を通って、第1のフォトダイオードAに入光する。その後、移動体10が距離Q1進むと。太線に示すように、第2のフォトダイオードBへ入光が始まり、さらに、移動体10が進むと、第1のフォトダイオードAの受光量P1よりも、第2のフォトダイオードBの受光量P2が上回り、つまり、大きくなる。この時点Tsで、検知トリガを出力する。
上記のように、第1および第2のフォトダイオードA,Bの入光時から最大反射光入光時までの受光変動傾斜は、第1および第2のフォトダイオードA,Bの端部と窓部7の右コーナの傾きに依存して決定され、第1および第2のフォトダイオードA,B間の交差点が決まる。
その後、窓部7の開口の端の近傍に、移動体10の反射領域11が移動すると、第2のフォトダイオードBの受光量P2よりも、第3のフォトダイオードCの受光量P3が上回り、つまり、曲線P2とP3とが交差する時点Teで、非検知トリガTeを出力する。
上記のように、第2および第3のフォトダイオードB,Cの入光時から最大反射光入光時までの受光変動傾斜は、第2および第3のフォトダイオードB,Cの端部と窓部7の左コーナの傾きに依存して決定され、第2および第3のフォトダイオードB,C間の交差点が決まる。
このようにして、検知トリガTsと、非検知トリガTeとを得ると、移動体10のスリット幅X、つまり、反射領域11の幅Xの分解能に依存しないで、SN比を高く保持できるパルス信号を取得することができる。
尚、スリット幅Xに応じたパルス信号を得るためには、Xの幅をフォトダイオード間隔Zよりも広く配置する必要がある。
更に、図1−1,図1−2では移動体10の中央部からの反射光量も入光され、受光変動に影響するため、Xは窓部幅より広いことが望ましい。
この方法では、図1−2に示すように、移動体10と、第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cとの距離L2が、図1−1に示す距離L1よりも小さくなった場合においても、図1−1と同様に、反射領域11の幅Xに応じたパルス信号を取得することができる。これは、受光量は距離の4乗に反比例し、図1−2では、第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの受光量が増えるが、第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの入光時から最大反射光入光時までの受光変動傾斜は、第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの端部と窓部7のコーナの傾きに依存して決定されることから、受光信号の交差点Ts,Te自体には変動がないためである。
図1−2において、P1’,P2’,P3’は、図1−1におけるP1,P2,P3に相当する。
図2−1および2−2および図3−1および3−2に光学シミュレーション結果を示す。図2は、移動体10と第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cとの距離が4mmの場合を示し、図3−1および3−2は、移動体10と第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cとの距離が8mmの場合を示している。なお、移動体10のサイズは、100mm幅である。
図2−1および2−2および図3−1および3−2において、破線は第1のフォトダイオードAへの入射光量、実線は第2のフォトダイオードBへの入射光量、一点鎖線は第3のフォトダイオードCへの入射光量を表している。
この図2および3から、移動体10と第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cとの距離が4mmから8mmに変動しても、交差点Te,Te、つまり、検知トリガおよび非検知トリガを出力する点Te,Teが変動しなくて、安定していることが分かる。
したがって、この発明の原理によれば、移動体のスリット幅を固定することなく、光学系のばらつきに依存しないで、SN比を高く保持できて、精度高く、移動体の位置、移動速度等を検出できる。
図4は、この第1実施形態の光学式エンコーダの回路構成を示す図である。この光学式エンコーダは、図1−1,1−2に示す構成の他に、図4に示すように、2つのコンパレータ21,22と、論理回路30とを備える。この2つのコンパレータ21,22と論理回路30とは、検知信号生成部50を構成し、後記するように、図5−5に示す出力電圧を出力する。この図5−5の出力電圧の立ち上がりが、検知トリガTsに相当し、出力電圧の立ち下がりが非検知トリガTeに相当する。
上記コンパレータ21は、+端子に、第1のフォトダイオードAの出力Aを受け、−端子に、第2のフォトダイオードBの出力Bを受けて、A>Bのときに、セット信号(SET)を出力する。また、上記コンパレータ22は、+端子に、第3のフォトダイオードCの出力Cを受け、−端子に、第2のフォトダイオードBの出力Bを受けて、C>Bのときに、リセット信号(RSET)を出力する。
なお、図1−1,1−2などでは、第1のフォトダイオードA、第2のフォトダイオードBおよび第3のフォトダイオードCの出力の夫々を、出力P1,P2,P3で表していたのに対して、ここでは、出力A,B,Cと表している。これは、第1のフォトダイオードAと出力Aとの関連が分かり易く、その混同の虞がないからである。勿論、出力P1=出力A、出力P2=出力B、出力P3=出力Cを表している。以下、同様である。
上記第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの出力A,B,Cは、図5−1の曲線A,B,Cで表される。
上記コンパレータ21から出力されるセット信号は、図5−2の曲線で表される一方、上記コンパレータ22から出力されるリセット信号は、図5−3の曲線で表される。
一方、上記論理回路30は、例えば、図6に示す構成を有し、RSフリップフロップ31と、インバータ32と、アンプリファイア33と、アンドゲート35とからなる。
上記インバータ32の出力は、図5-2のセット信号を反転したものである。そして、上記アンドゲート35は、アンプリファイア33から出力された図5-4に示すRSフリップフロップ31の出力と、上記インバータ32から出力された図5-2のセット信号を反転した信号との論理積をとって、図5−5に示された出力電圧を出力する。
このように、上記検知信号生成部50は、図5−5の出力電圧を出力して、この出力電圧の立ち上がりである検知トリガTsと、この出力電圧の立ち下がりである非検知トリガTeを出力することができる。
すなわち、上記検知信号生成部50は、入光が先行する第1のフォトダイオードAの出力レベルAよりも、その第1のフォトダイオードAよりも入光が遅延する第2のフォトダイオードBの出力レベルBが上回ったときに、検知トリガTsを出力する一方、第2のフォトダイオードBの出力レベルBよりも、その第2のフォトダイオードBよりも入光が遅延する第3のフォトダイオードCの出力レベルCが上回ったときに、非検知トリガTeを出力するのである。
したがって、この光学式エンコーダは、移動体10のスリット幅等の分解能に依存せず、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比を高く保持できて、精度高く、移動体10の位置、移動速度等を検出できる。
また、この第1実施形態では、図1−1,1−2に示すように、第2のフォトダイオードBの光軸と略重なる光軸を有する発光ダイオード5を備えると共に、中央に位置する第2のフォトダイオードBの受光開口部を絞らないで、両端に位置する第1および第3のフォトダイオードA,Cの受光開口部を絞る窓部7を備えているので、第2のフォトダイオードBの受光電流Bが、第1および第3のフォトダイオードA,Cの受光電流A,Cよりも上回る交差点Ts,Teを安定して確実に得ることができ、したがって、検知トリガTs、非検知トリガTeを確実に得ることができて、移動体10のスリット幅等の分解能に依存せず、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比を高く保持できて、精度高く、移動体10の位置、移動速度等を検出できる。
また、この第1実施形態では、第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの受光部の面積が略同一であり、かつ、図4に示すように、コンパレータ21,22によって、差動演算を行っているため、同相ノイズを軽減できて、有益である。
また、この第1実施形態では、図5−1に示すように、第1のフォトダイオードAの出力Aと第2のフォトダイオードBの出力Bとの交差点Tsを検知トリガTsとする一方、第2のフォトダイオードBの出力Bと第3のフォトダイオードCの出力Cとの交差点Teを非検知トリガTeとしているので、外乱光によって、例えば、図7−1に示すA<Bの状態から図7−2に示すA>Bの状態に、入射光量に変動が生じても、交差点Ts,Teは影響を受けることがない。したがって、誤動作を抑制できて、正確に、移動体10の位置、移動速度等を検出できる。
より詳しくは、もし仮に、図6に示すRSフリップフロップ31の図5−4に示す出力をそのまま検知トリガに用いると、外乱光の影響を受けて、図5−1における第3のフォトダイオードCの受光量減衰が遅れる状態や、反射物がない状態での第2および第3のフォトダイオードB,C間の受光量逆転の状態等が生じ、正確に、移動体10の位置、速度などが検知できなくなるのである。
これに対して、この第1実施形態では、論理回路30において、セット信号(SET)とリセット信号(RSET)を受けるRSフリップフロップ31の出力と、インバータ32によるセット信号(SET)の反転信号との論理積を、アンドゲート35で得て、交差点Ts,Teを検知しているので、図7−1、図7−2から分かるように、外乱光の影響を受けなくて、正確に、移動体10の位置、移動速度等を検出できる。
これは図1−1,図1−2の第1、第2および第3のフォトダイオードA,B,Cの配置であれば、第2のフォトダイオードBに反射領域(反射検知物体)11が対向した時、出力Bが出力A,Cを上回る電流が得られるためである。
(第2実施形態)
この第2実施形態の光学式エンコーダは、図8に示す論理回路130の構成のみが、第1実施形態と異なる。したがって、第2実施形態について、上記論理回路130以外の構成、作用については、図1−1,1−2,…,7−1,7−2の第1実施形態の説明を援用して、その説明は省略する。
この図8に示す第2実施形態の論理回路130は、図6に示す第1実施形態の論理回路30とは、セット信号(SET)を受けるインバータ32の後段に、直列に2つのインバータ321,322を接続して、このインバータ321,322によって、信号の伝達を遅延させている点のみが異なる。
こうすることによって、第2実施形態の論理回路130は、RSフリップフロップ31から、アンプリファイア33を介してアンドゲート35への入力と、インバータ32,321,322を介してのセット信号のアンドゲート35への入力との間に遅延差が大きくなるのを抑制している。
(第3実施形態)
図9は、第3実施形態の要部を示すブロック図である。
図1−1,1−2,…,7−1,7−2に示す第1実施形態の光学式エンコーダでは、移動体10と発光ダイオード5との間に、第1のフォトダイオードA,第2のフォトダイオードBおよび第3のフォトダイオードCを配置しているのに対して、この図9に示す第3実施形態の光学式エンコーダでは、第1のフォトダイオードA,第2のフォトダイオードBおよび第3のフォトダイオードCと、移動体10との間に、発光ダイオード5を配置している点のみが異なる。
したがって、この第3実施形態と第1実施形態とでは、発光ダイオード5から第1のフォトダイオードA,第2のフォトダイオードBおよび第3のフォトダイオードCに至る光の経路が異なるのみで、本質的には何ら相異はない。
また、他の構成、作用は、第1実施形態と全く同様であるので、説明は省略する。
(第4実施形態)
図10および11は、第4実施形態の光学式エンコーダの動作を説明するためのグラフである。
この第4実施形態の光学式エンコーダは、図示しないが、図1−1に示す第1のフォトダイオードA、第2のフォトダイオードBおよび第3のフォトダイオードCの組を、2組受光位置をフォトダイオード配置方向に並置し、各組について、図4に示す検知信号生成部50を設けている。尤も、図示しないが、各組の出力を、1つの検知信号生成部で、時分割で信号処理してもよい。
今、図1−1に示す方向に、移動体10が移動し、移動体10の反射領域11を検知すると(反射物検知をすると)、図10に示すように、各組の出力、つまり、出力1および出力2は、H(ハイ)レベルになる。出力がL→Hとなるのは、出力1、出力2の順になる。なお、出力1と出力2の位相差は、90°とする。
一方、図1−1に示す方向とは逆方向に、移動体10が移動し、移動体10の反射領域11を検知すると(反射物検知をすると)、図11に示すように、各組の出力、つまり、出力1および出力2は、L(ハイ)レベルになる。出力がL→Hとなるのは、出力2、出力1の順になる。
したがって、この第4実施形態によれば、出力1、出力2のL→Hとなる順序を検知することによって、移動体10の移動方向を簡易に検知することができる。
(第5実施形態)
図12は、第5実施形態の光学式エンコーダのブロック図である。
この第5実施形態の光学式エンコーダは、図9に示す第3実施形態の光学式エンコーダとは、第1のフォトダイオードA,第2のフォトダイオードBおよび第3のフォトダイオードCの夫々に、容量61,62,63を、スイッチ71,72,73を介して並列に接続し、このスイッチ71,72,73を、論理回路30からの信号を受けて制御するスイッチ制御回路80を備える点のみが異なる。図12において、図9に示す第3実施形態の構成要素と同一構成要素については、同一参照番号を付して、その説明を省略する。
上記スイッチ制御回路80は、コンパレータ21がセット信号(SET)を出力した後、つまり、第1のフォトダイオードAの出力レベルAが、第2のフォトダイオードBの出力レベルBを下回ったときに、論理回路30からの信号を受けて、第2のフォトダイオードBを容量62から切り離すようにスイッチ72を制御すると共に、第3のフォトダイオードCを容量63に接続するようにスイッチ73を制御する。
また、上記スイッチ制御回路80は、コンパレータ22がリセット信号(RSET)を出力した後、つまり、第3のフォトダイオードCの出力レベルCが、第2のフォトダイオードBの出力レベルBを下回ったときに、論理回路30からの信号を受けて、第3のフォトダイオードCを容量63から切り離すようにスイッチ73を制御する。
このように、上記スイッチ制御回路80でスイッチ71,72,73を制御して、第1のフォトダイオードA,第2のフォトダイオードBおよび第3のフォトダイオードCの夫々に、容量61,62,63を、並列に接続して、出力A〜Cに信号遅延を発生させて、確実に、第1〜第3のフォトダイオードA〜Cの出力A〜Cの交差点を発生させることができる。
なお、第1〜第3のフォトダイオードA〜Cの出力A〜Cの遅延のさせ方は、上述の容量の接続の仕方に限らず、適切なタイミングで容量を接続するものならば、どのようなものであってもよい。
(第6実施形態)
図13は、第6実施形態の光学式エンコーダのブロック図である。
この図13に示す第6実施形態の光学式エンコーダは、図9に示す第3実施形態の光学式エンコーダとは、第3実施形態のコンパレータ21,22に代えて、メインコンパレータ211,221およびサブコンパレータ212,222を用いている点のみが異なる。図13において、図9に示す第3実施形態の構成要素と同一構成要素については、同一参照番号を付して、その説明を省略する。
上記サブコンパレータ212は、+端子に、第1のフォトダイオードAの出力Aを受け、−端子に、第2のフォトダイオードBの出力Bを受けて、A>Bのときに、H(ハイレベル)信号を出力して、メインコンパレータ211を起動する一方、ABのときに、L(ローレベル)信号を出力して、メインコンパレータ211の作動を停止する。このサブコンパレータ212のH信号とL信号との切り替わりは、あるヒステリシスを持って切り替わる。
また、上記メインコンパレータ211は、+端子に、第2のフォトダイオードBの出力Bを受け、−端子に、第1のフォトダイオードAの出力Aを受けて、A<Bのときに、H信号を出力し、上記サブコンパレータ212の出力がヒステリシスを持ってL信号になった時点で、L信号となるセット信号(SET)を出力する。
同様に、サブコンパレータ222は、+端子に、第2のフォトダイオードBの出力Bを受け、−端子に、第3のフォトダイオードCの出力Cを受けて、B>Cのときに、H信号を出力して、メインコンパレータ221を起動する一方、BCのときに、L信号を出力して、メインコンパレータ221の作動を停止する。このサブコンパレータ222のH信号とL信号との切り替わりは、あるヒステリシスを持って切り替わる。
また、上記メインコンパレータ221は、+端子に、第3のフォトダイオードCの出力Cを受け、−端子に、第2のフォトダイオードBの出力Bを受けて、B<Cのときに、H信号を出力し、上記サブコンパレータ222の出力がヒステリシスを持ってL信号になった時点で、ローレベルとなるリセット信号(RSET)を出力する。
このように、サブコンパレータ212,222からのH信号でメインコンパレータ211,221を起動し、メインコンパレータ211,221から出力が得られると、サブコンパレータ212,222のヒステリシス期間分だけの短期間、セット信号(SET)およびリセット信号(RSET)を出力する。
したがって、図5に示す入力光の変化以外を検出しないようにして、誤動作を抑制することができる。
(第7実施形態)
第7実施形態の電子機器は、図示しないが、例えば、複写機、プリンターなどの印刷機器、FA(ファクトリオートメーション)機器、カメラ等におけるレンズフォーカス調整装置、クランクシャフトの回転角、速度等を検出する車用速度検出装置等であって、第1〜第6実施形態の光学式エンコーダを備えている。
この電子機器は、移動体のスリットや反射領域の分解能に依存しなく、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比(信号雑音比)を高く保持できて、精度高く、移動体の位置、移動速度等を検出できる上記光学式エンコーダを有するから、極めて性能がよい。
上記実施形態では、受光素子の例として、フォトダイオードを挙げたが、フォトトランジスタ等の光を検知できるものであるならば、どのような素子であってもよい。また、発光素子は、LEDに限らず、半導体レーザ等の光を出射できる素子ならば、どのような素子であってもよい。
また、上記検知信号生成部50および論理回路30の構成は、上述の実施形態に限らず、種々の構成が可能である。例えば、論理回路は、ナンドゲート、ノアーゲート等の論理素子を組み合わせて、構成できる。また、RSフリップフロップに代えて、JKフリップフロップを用いてもよい。
この発明および実施形態を纏めると、次のようになる。
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、
隣接して順に配置された第1、第2および第3の受光素子A,B,Cと、
入光が先行する上記第1の受光素子Aの出力レベルAよりも、その第1の受光素子Aよりも入光が遅延する上記第2の受光素子Bの出力レベルBが上回ったときに、検知トリガTsを出力する一方、上記第2の受光素子Bの出力レベルBよりも、上記第2の受光素子Bよりも入光が遅延する上記第3の受光素子Cの出力レベルCが上回ったときに、非検知トリガTeを出力する検知信号生成部50と
を備えることを特徴としている。
上記構成の光学式エンコーダによれば、上記検知信号生成部50は、入光が先行する第1の受光素子Aの出力レベルAよりも、その第1の受光素子Aよりも入光が遅延する第2の受光素子Bの出力レベルBが上回ったときに、検知トリガTsを出力する一方、第2の受光素子Bの出力レベルBよりも、第2の受光素子Bよりも入光が遅延する第3の受光素子Cの出力レベルCが上回ったときに、非検知トリガTeを出力する。
したがって、この光学式エンコーダは、移動体10のスリット幅等の分解能に依存せず、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比を高く保持できて、精度高く、移動体10の位置、移動速度等を検出できる。
また、上記光学式エンコーダによれば、第1の受光素子Aの出力Aと第2の受光素子Bの出力Bとの交差点Tsを検知トリガTsとする一方、第2の受光素子Bの出力Bと第3の受光素子Cの出力Cとの交差点Teを非検知トリガTeとしているので、外乱光によって、入射光量に変動が生じても、交差点Ts,Teは影響を受けることがない。したがって、誤動作を抑制できて、正確に、移動体10の位置、移動速度等を検出できる。
1実施形態の光学式エンコーダは、
上記第2の受光素子Bの光軸と略重なる光軸を有する発光素子5と、
上記第1および第3の受光素子A,Cの受光開口部を絞る窓部7と
を備える。
上記実施形態によれば、上記窓部7によって、中央に位置する第2の受光素子Bの受光開口部を絞らないで、両端に位置する第1および第3の受光素子A,Cの受光開口部を絞るので、第2の受光素子Bの受光電流Bが、第1および第3の受光素子A,Cの受光電流A,Cよりも上回る交差点Ts,Teを安定して確実に得ることができ、したがって、検知トリガTs、非検知トリガTeを確実に得ることができて、移動体10のスリット幅等の分解能に依存せず、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比を高く保持できて、精度高く、移動体10の位置、移動速度等を検出できる。
1実施形態の光学式エンコーダでは、
上記第1、第2および第3の受光素子A,B,Cの受光部の面積が略同一である。
上記実施形態によれば、第1、第2および第3の受光素子A,B,Cの受光部の面積が略同一であるから、差動演算を行うことによって、同相ノイズを軽減できて、有益である。
1実施形態の光学式エンコーダでは、
上記第1、第2および第3の受光素子A,B,Cの組を、2組並置している。
上記実施形態によれば、2組の出力のL→H(あるいは、H→L)となる順序を検知することによって、移動体10の移動方向を簡易に検知することができる。
1実施形態の光学式エンコーダは、
上記第1、第2および第3の受光素子A,B,Cの夫々にスイッチ71,72,73を介して並列に接続可能な容量61,62,63と、
上記スイッチ71,72,73を制御するスイッチ制御回路80と
を備える。
上記実施形態によれば、上記スイッチ制御回路80でスイッチ71,72,73を制御して、第1の受光素子A,第2の受光素子Bおよび第3の受光素子Cの夫々に、容量61,62,63を、並列に接続して、出力A〜Cに信号遅延を発生させて、確実に、第1〜第3の受光素子A〜Cの出力A〜Cの交差点を発生させることができる。
この実施形態の電子機器は、
上述の光学式エンコーダを備える。
この電子機器は、移動体のスリットや反射領域の分解能に依存しなく、かつ、光学系のばらつきに依存しないで、SN比を高く保持できて、精度高く、移動体の位置、移動速度等を検出できる上記光学式エンコーダを有するから、極めて性能がよい。
第1〜第7実施形態および変形例で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいのは、勿論である。
5 発光素子
7 窓部
10 移動体
21,22,211,212,221,222 コンパレータ
30,130 論理回路
50 検知信号生成部
61,62,63 容量
71,72,73 スイッチ
80 スイッチ制御回路
A 第1の受光素子
B 第2の受光素子
C 第3の受光素子
Ts 検知トリガ
Te 非検知トリガ

Claims (5)

  1. 隣接して順に配置された第1、第2および第3の受光素子と、
    入光が先行する上記第1の受光素子の出力レベルよりも、その第1の受光素子よりも入光が遅延する上記第2の受光素子の出力レベルが上回ったときに、検知トリガを出力する一方、上記第2の受光素子の出力レベルよりも、上記第2の受光素子よりも入光が遅延する上記第3の受光素子の出力レベルが上回ったときに、非検知トリガを出力する検知信号生成部と
    を備え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2の受光素子の光軸と略重なる光軸を有する発光素子と、
    上記第1および第3の受光素子の受光開口部を絞る窓部と
    を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
  3. 請求項1または2に記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記第1、第2および第3の受光素子の受光部の面積が略同一であることを特徴とする光学式エンコーダ。
  4. 請求項1から3のいずれか1つに記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記第1、第2および第3の受光素子の組を、2組並置していることを特徴とする光学式エンコーダ。
  5. 請求項1から4のいずれか1つに記載の光学式エンコーダにおいて、
    上記第1、第2および第3の受光素子の夫々にスイッチを介して並列に接続可能な容量と、
    上記スイッチを制御するスイッチ制御回路と
    を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
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