光学式编码器以及电子设备的制作方法

专利名称：光学式编码器以及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用光接收元件检测移动体的位置、移动速度、移动方向等 的光学式编码器，作为一例，特别涉及适用于复印机、打印机等印刷设备、
FA (工厂自动化)设备等的光学式编码器。
背景技术：
以往，作为光学式编码器，提出了以下的光学式编码器，以缝隙(slit) 的排列间距的1/4的间隔将多个光接收元件配置在旋转体的缝隙的排列方向 上，通过对这些光接收元件的输出信号进行比较从而得到可靠性高的旋转信 息((日本)特开昭59-40258号公报)。
此外，在(日本)特开2005-61896号公报中记载的光学式编码器中，采 用通过生成并输出三角波，从而提高检测移动体的移动量的精度的方法。
此外，在(日本)特开2000-121390号公报中，公开了通过对具有90。 的相位差的A相信号和B相信号进行脉冲变换，作为根据标尺(scale)移动 方向而被PWM调制的一个系统的A/B相脉冲信号输出，从而能够用一个系 统的传输线路输出A相和B相的测量脉冲信号。
此外，在(日本)特开昭60-88316号公报中，公开了对回转式编码器的 2相的输出进行信号变换从而取出与2相对应的计数脉冲，对一个计数脉冲 进行相位反转后与另一个计数脉沖相加，从而能够通过单一的输出信号线发 送信号。
不过，在特开昭59-40258号公报所记载的光学式编码器中，使用相位互 相差90°的A相、B相的两个输出信号来检测移动体(旋转体)的相对位置 变化和移动方向。
但是，在特开昭59-40258号公报的光学式编码器中，设置2个输出，需 要2个输出的布线，信号的输出布线缺乏简易性，不适于安装面积的小型化。 此外，由于2条输出布线的布线长度差或各个布线所受到的噪声等的影响， 应偏差90°相位的两个输出信号的定时可能变化，因此需要可靠度更高的输
出方法。
而且，在特开2000-121390号公报中，对具有90。的相位差的A相信号 和B相信号进行脉冲变换，从而作为根据标尺的移动方向而被PWM调制的 1个系统的A/B相脉沖信号输出。
但是，如果是始终以一定周期移动的移动体，则能够通过PWM(脉宽调 制)信号检测移动方向，但在移动体不以一定周期移动的情况下，由于作为 输出脉沖的脉沖宽度或抖动而在输出分量中产生影响，因此难以高精度地检 测移动体的移动方向。此外，在将2相的信号分量合成为一个后的信号中，1 周期中的移动位置的计数数相当于1相的量，与特开昭59-40258号公报的光 学式编码器相比，分辨率成为一半。
此外，在特开昭60-88316号公报中，将从回转式编码器得到的2相的计 数脉冲信号的一个相位反转后相加，能够通过单一的输出信号线发送信号， 但这与特开2000-121390号公报同样，分辨率成为一半，因此不能高精度地 得到相对的位置信息。
而且，特开2000-121390号公报、特开昭60-88316号公报的任何一个都 是以通过信号处理使得总布线数成为一半为目的，但需要计数器、脉冲调制 器和振荡器等。从而，不仅能够使用的频率被限定，而且需要取得与输出单 元的同步，并且结构变得复杂，所以对于安装了编码器模块的部分难以小型 化。
而且，在特开2000-121390号公报中，根据移动体的移动信息通过微机 控制而施加PWM调制。换言之，由于依赖于微机的处理速度或内部振荡器 的频率而施加PWM调制，所以难以在移动体的移动方向切换的瞬间判断移 动方向。
此外，特开昭60-88316号公报也同样，移动体的允许周期依赖于振荡器 的频率。从而，通过提高上述振荡器的频率，从而能够应对宽范围的频率， 但消耗电流增加，不适于使用。
此外，两个文献都以通过信号处理使得总布线数成为一半为目的，但需 要计数器、脉沖调制器或振荡器等，需要取得与输出单元的同步，结构变得 复杂，所以对于安装了编码器模块的部分难以小型化。
此外，在特开2005-61896号公报中记载的光学式编码器中，也与特开昭 59-40258号公报所记载的光学式编码器同样，为了检测移动方向而需要使用
2相的输出。

发明内容
因此，本发明的课题在于提供一种能够高精度地检测相对位置信息、移 动方向等移动信息，并且能够在宽的频率范围中使用，同时能够削减输出总 布线数，适于小型化的光学式编码器。
为了解决上述课题，本发明的光学式编码器，包括发光单元和具有在来 自上述发光单元的光能够到达的区域内排列配置在一个方向上的多个光接收 元件的光接收单元，并且检测移动体的移动，所述移动体具有在通过与上述 光接收元件对应的规定位置时使得成为上述光射入上述光接收元件的状态的 光接通部分，以及在通过与上述光接收元件对应的规定位置时使得成为上述 光不射入上述光接收元件的状态的光关断部分，并且在上述一个方向上移动 时，上述光接通部分和光关断部分交替通过上述规定位置，其特征在于，所
述光学式编码器包括
光接收信号处理单元，从上述多个光接收元件被输入相位不同的多个光 接收信号，对该多个光接收信号进行包含逻辑运算处理、加法处理、减法处 理中的至少一个信号处理的信号处理，输出包含多个信号分量的输出信号， 所述多个信号分量的相位不同而且相对于规定的阈值电平的信号电平不同。
根据本发明的光学式编码器，光接收信号处理单元将相位不同的多个光 接收信号变换为包含相位不同并且对于规定的阈值电平的信号电平不同的多 个信号分量的输出信号。通过该输出信号，能够使用单一的传输路径传输多 个移动信息。此外，该输出信号在每一周期具有多个相位不同的输出分量， 从而得到高精度的位置信息，并且实现编码器模块的小型化、电气布线的简 化，而不会降低分辨率。
此外，在本发明的结构中，由于不需要内部振荡器构成的同步电路的结 构，所以在电路上不会限制移动体的移动速度。从而，根据本发明，在宽的 频率范围内得到稳定的输出。
此外， 一个实施方式的光学式编码器具有多个由上述光接收元件和光接 收信号处理单元所构成的^f全测单元，通过该多个4全测单元^^测在互相不同的 方向上移动的多个移动体的移动。
根据该实施方式的光学式编码器，在移动体为2个以上的情况下，也能够得到2个以上的移动体的高精度的移动信息，并且能够将输出信号的传输 路径数减半，实现编码器模块的小型化、电气布线的简化。例如，在通过2 个以上的移动体检测二维、三维等移动方向的情况下，可以将输出信号的传
输路径的数从以往的4、 6减半到2、 3。
此外， 一个实施方式的光学式编码器中，上述光接收信号处理单元具有 减法电路，其对上述多个光接收信号进行减法运算，生成包含多个信号分量 的输出信号，所述多个信号分量的相位不同而且相对于规定的阈值电平的信
号电平不同。
根据该实施方式，光接收信号处理单元通过减法电路对上迷多个光接收 信号进行减法运算，从而生成包含相位不同并且对于规定的阈值电平的信号 电平不同的多个信号分量的输出信号，所以与使用脉冲调制器或振荡器生成 单一的脉冲并输出的以往例子不同，能够充分集成到信号处理单元，并且实 现安装面积的缩小化。
此外， 一个实施方式的光学式编码器中，上述光接收信号处理单元具有 "异或，，电路，其对从上述多个光接收信号得到的相位互相差90。的第 一、第二信号的"异或"进行运算，从而输出第三信号；
"与，，电路，其对上述"异或，，电路输出的第三信号和上述第一、第二 信号中的一个的"与，，进行运算，从而输出第四信号；以及
减法电路，其从上述第一、第二信号中的另一个中减去上述"与"电路 输出的第四信号，从而输出第五信号。
根据该实施方式，光接收信号处理单元通过"异或"电路、"与"电路、 减法电路生成包含相位不同并且对于规定的阈值电平的信号电平不同的多个 信号分量的第五信号，该第五信号的上述信号电平不同的多个信号分量的脉 沖宽度被变更。从而，根据该实施方式，通过对于从多个光接收信号得到的 相位互相差90。的第一、第二信号进行简单的逻辑运算以及减法而得到的第 五信号，能够变更阈值电平的1相的脉冲宽度。从而第五信号能够通过移动 体的移动方向的正反而变更逻辑值，并且能够避免移动方向的正反的检测差 错。
此外， 一个实施方式的光学式编码器中，上述光接收信号处理单元具有 比较单元，其对上述减法电路输出的信号和规定的基准电压进行比较，从而 输出该比较结果。根据该实施方式，光接收信号处理单元具有的比较单元输出对在各种光 学条件下可能变动的减法电路的输出信号和规定的基准电压进行比较的结 果，所以实现阈值电平的稳定化，避免由于减法电路的输出信号的变动而使 得后级的信号处理变得复杂，并且能够避免误动作的可能性。
此外，上述比较单元的输出阈值电平能够通过上述基准电压而任意变更。 由此，也可以仅取出比较单元的输出中任意的输出分量，在不需要高精度的 情况下，也可以仅得到上述减法电路的输出信号中包含的多个相位信息中1 相的信息。
此外， 一个实施方式的光学式编码器中，上述光接收信号处理单元具有 负反馈电路，其包括运算放大器，该运算放大器在反相输入端子被输入上述 减法电路输出的第五信号，同时在同相输入端子被输入规定的基准电压。
根据该实施方式，能够通过上述负反馈电路将来自减法电路的第五信号 的阈值电平稳定化，并且通过调整负反馈电路中的增益，从而能够对于阈值 电平容易地调整负反馈电路的输出信号的振幅值。
此外， 一个实施方式的光学式编码器中，上述光接收信号处理单元具有 基准电压单元，其能够变更上述规定的基准电压的值。
根据该实施方式的光学式编码器，上述光接收信号处理单元具有的基准 电压单元对上述规定基准电压的值进行变更，从而能够仅取出比较单元的输 出中任意的输出分量而不会增加来自光接收信号处理单元的输出布线。
此外， 一个实施方式的光学式编码器中，上述光接收信号处理单元具有 生成模拟信号的模拟信号生成电路，并输出包含由该模拟信号生成电路生成 的上述模拟信号的模拟信号分量的输出信号。
根据该实施方式的光学式编码器，根据上述光接收信号处理单元输出的 输出信号所包含的上述模拟信号分量的分辨率，实现上述移动体的移动量检 测的高精度化。此外，通过上述模拟信号分量的波形变动能够检测上述移动 体的移动方向。
此外，作为上述模拟信号生成电路，例如，可以采用在放大光接收信号 的放大器单元或逻辑输出电路等单元中追加电容的电路，以使信号的上升沿、 下降沿具有时间宽度。此外，作为上述模拟信号生成电路，例如，也可以采 用降低用于放大光接收信号的放大器单元的增益，从而使信号的上升沿、下 降沿具有时间宽度的电路。任何一个电路都是非常容易构成的电路。此外，
上述模拟信号不限定于从光接收信号中得到，例如，也可以将生成三角波的 时钟等作为模拟信号。
此外， 一个实施方式的光学式编码器中，上述光接收信号处理单元具有 数字信号生成电路，其从上述光接收信号中生成与上述模拟信号生成电路生 成的模拟信号相位不同的数字信号，并且上述光接收信号处理单元包括减法 电路，对上述模拟信号和上述数字信号进行减法运算，并生成包含多个信号 分量的输出信号，所述多个信号分量的相位不同而且相对于规定的阈值电平 的信号电平不同。
根据该实施方式的光学式编码器，由于通过上述光接收信号处理单元包 括的减法电路生成上述输出信号，所以能够避免所述放大器单元的增益变更 或电容的追加引起的时间常数的变化。进而，由于不需要振荡器等追加电路， 所以能够高精度地检测移动体的移动量和移动方向而不会具有频率依赖性。
此外， 一个实施方式的电子设备中，包括上述光学式编码器，并且具有 比较单元，其对上述光接收信号处理单元输出的包含多个信号分量的输出信 号和与上述阈值电平对应的基准电压进行比较，从而输出比较结果，所述多 个信号分量的相位不同而且相对于规定的阈值电平的信号电平不同。
根据该实施方式的电子设备，上述比较单元能够输出通过将来自上述光 学式编码器的上述输出信号与对应于上述阈值电平的基准电压进行比较而变 换为数字值的信号。即，在来自上述光学式编码器的上述输出信号成为模拟 输出信号，微型计算机等不能直接进行信号处理的情况下，也能够通过上述 比较单元将上述输出信号变换为数字信号。从而，通过对该电子设备所具有 的微型计算机输入来自上述比较单元的被数字化了的输出信号，从而得到上 述移动体的移动信息。例如，通过在喷墨打印机的喷墨头单元中采用该实施 方式的电子设备，从而能够在减少了从光学式编码器输出的布线数的状态下， 容易地得到作为移动体的喷墨头单元的移动信息。
此外， 一个实施方式的电子设备中，具有比较单元，其对上述光学式编 码器的上述光接收信号处理单元输出的包含上述模拟信号分量的输出信号和 多个不同的基准电压进行比较，从而输出该比较结果产生的多个数字信号。
根据该实施方式的光学式编码器，通过上述比较单元输出的多个数字信 号得到移动体的高精度的移动信息。此外，由于上述比较单元输出数字信号， 所以能够通过微型计算机等直接进行信号处理。此外， 一个实施方式的电子设备中，包括上述光学式编码器。根据该电 子设备，能够削减用于光学式编码器的布线数并实现小型化，并且能够高精 度地检测移动信息。
根据本发明的光学式编码器，光接收信号处理单元将相位不同的多个光 接收信号变换为包含相位不同并且对于规定的阈值电平的信号电平不同的多 个信号分量的输出信号。通过该输出信号，能够使用单一的传输路径传输多 个移动信息。此外，该输出信号在每一周期具有多个相位不同的输出分量， 从而得到高精度的位置信息，并且实现编码器模块的小型化、电气布线的简 化。


通过以下的详细说明和附图应该能够充分了解本发明。附图只是用于说
明，而并非用于限制本发明。在附图中
图1是本发明的光学式编码器的第一实施方式的示意图。
图2是表示上述第一实施方式的光接收信号处理单元中的各信号波形的
波形图。
图3A是本发明的光学式编码器的第二实施方式的示意图。 图3B是上述第二实施方式的变形例的示意图。
图4是表示上述第二实施方式的光接收信号处理单元中的各信号波形的
波形图。
图5是本发明的光学式编码器的第三实施方式的示意图。 图6A是表示上述第三实施方式的光接收信号处理单元中的各信号波形 的波形图。
图6B是表示上迷第三实施方式的光接收信号处理单元中的各信号波形 的波形图。
图7是表示上述第三实施方式的基准电压单元的变形例的电路图。
图8是表示本发明的第四实施方式的光学式编码器的主要部分的电路图。
图9A是表示本发明的第五实施方式的光学式编码器的一部分的示意图。 图9B是表示上述第五实施方式的光学式编码器的光接收信号处理单元 的一部分的电路图。
图10是表示上述第五实施方式的光接收信号处理单元中的各信号波形 的波形图。
图11是表示本发明的第六实施方式的电子设备的光接收信号处理单元 的一部分的图。
图12A是表示上述第六实施方式的光接收信号处理单元中的各信号波形
的波形图。
图12B是表示上述第六实施方式的光接收信号处理单元中的各信号波形 的波形图。
具体实施例方式
以下，通过图示的实施方式详细说明本发明。 (第一实施方式)
图1表示本发明的光学编码器的第一实施方式。该第一实施方式包括移 动体1 、光接收单元2和发光单元3。发光单元3由LED (发光二极管)等发 光元件构成。光接收单元2具有3个光接收元件11 13。此外，移动体1可 以沿着箭头X1或者X2所示的方向移动，在移动方向上交替排列有光接通部 分6和光关断部分7。如果将该光接通部分6的排列间距设为P,则光接通部 分6和光关断部分7的移动方向的尺寸(宽度尺寸)为(1/2) P。上述光接 通部分6使来自发光单元3的光通过到光接收单元2侧，另一方面，光关断 部分7不使来自发光单元3的光通过到光接收单元2侧。另外，在该实施方 式中，光接收元件11~13由光电二极管构成，但也可以由光电晶体管构成。 此外，在该实施方式中，将各光接收元件11 ~ 13的宽度尺寸设为(1/12) P。 此外，各光接收元件11 ~ 13在移动方向上不隔开间隔而邻接。
从而，如图2所示，如果将1间距P设为360。，则各光接收元件ll、 12、 B输出的光接收信号A、 B、 C相位各偏离30。。各光接收元件ll、 12、 13输出的光接收信号A、 B、 C经由电流分配器14、 15、 16以及AD变换器 (未图示)被输入到"与"电路17并被进行"与"运算。该"与"电路17 将图2所示的波形的"与"信号A'B.C输出到"异或"电路18~20。
"异或"电路18中被输入上述"与"信号A . B C和经由上述电流分 配器14和AD变换器的光接收信号A，该"异或"电路18运算两个信号的 "异或"，并将运算后的信号A，输出到加法电路22。此外，"异或"电路19中被输入上述"与"信号A . B C和经由上述电流分配器15和AD变换器 的光接收信号B,该"异或"电路19运算两个信号的"异或"，并将运算后 的信号B，输出到加法电路22。此外，"异或，，电路20中被输入上述"与"信 号A 'B 'C和经由上述电流分配器16和AD变换器的光接收信号C,该"异 或"电路20运算两个信号的"异或"，并将运算后的信号C，输出到放大电路 21。然后，上述加法电路22将运算后的信号A，和B，以及由放大电路21放大 到2倍后的信号2C，相加，从而输出图2所示的波形的输出信号。
上述电流分配器14~ 16、 AD变换器、"与"电路17、"异或"电路18、 19、 20、放大电路21、加法电路22构成光接收信号处理单元。
上述输出信号中，如图2所示，在阈值电平O和阈值电平1之间上升的 脉冲Sl为A相信号分量，在阈值电平1和阈值电平2之间上升的脉沖S2为 B相信号分量，超过阈值电平2而上升的脉沖S3为C相信号分量。从而，在 后级的信号处理单元中，例如，通过计数对于各阈值电平0-2的上升分量， 从而得到移动体1的相对移动信息。此外，关于移动体1的移动方向的正、 反(X1、 X2),可以通过A相信号分量和C相信号分量的脉沖上升沿的先后 关系来判断。从而，才艮据本实施方式，可以在加法电路22对单一的传输路径 输出的输出信号中放入信号电平和相位不同的A-C相的3相的信号分量而 不失去移动信息分量。从而，根据本实施方式，可以实现小型化和电气布线 的简化，同时得到高精度的移动信息。
另外，在上述实施方式中，具有由光接收单元2和光接收信号处理单元 所构成的一个检测单元，但也可以具有多个上述检测单元，并通过该多个检 测单元检测向互相不同方向移动的多个移动体的移动。得到两个以上的移动 体的高精度的移动信息，可以将输出信号的传输路径的数减半，并实现编码 器模块的小型化、电气布线的简化。例如，通过两个以上的移动体检测二维、 三维等移动方向的情况下，可以将输出信号的传输路径的数从以往的4、 6减 半到2、 3。另外，作为上述二维的两个移动方向，作为一例，可以设为X方 向和相对于X方向倾斜90。的Y方向，但当然倾斜角不限定于90。，只要 是不同的移动方向即可。此外，作为上述三维的移动方向的X方向、Y方向、 Z方向，当然不是各方向如直角坐标系那样限定于直角。
(第二实施方式)
接着，图3A表示本发明的光学式编码器的第二实施方式。该第二实施
方式包括移动体31、光接收单元32和发光单元33。发光单元33由LED(发 光二极管)等发光元件构成。
光接收单元32具有四个光接收元件41 ~ 44。此外，移动体31可以沿着 箭头XI或者X2所示的方向移动，在移动方向上交替排列有光接通部分36 和光关断部分37。如果将该光接通部分36的排列间距设为P，则光接通部分 36和光关断部分37的移动方向的尺寸(宽度尺寸)为(1/2 ) P。上述光接通 部分36使来自发光单元33的光通过到光接收单元32侧，另一方面，光关断 部分37不使来自发光单元33的光通过到光接收单元32侧。另外，光接收元 件41 44由光电二极管构成。在该实施方式中，将各光接收元件41 ~44的宽 度尺寸设为(1/4)P。此外，各光接收元件41 44在移动方向上不隔开间隔 而邻接。
上述光接收元件41输出的光接收信号A+经由电流电压变换单元45而被 输入到差动放大器51的同相输入端子，光接收元件43输出的光接收信号A-经由电流电压变换单元46而被输入到差动放大器51的反相输入端子。另一 方面，上述光接收元件42输出的光接收信号B-经由电流电压变换单元48 而被输入到差动放大器52的反相输入端子，光接收元件44输出的光接收信 号B +经由电流电压变换单元47而被输入到差动放大器52的同相输入端子。
上述差动放大器51将被变换为电压的光接收信号A +和被变换为电压的 光接收信号A -的差放大，并将该放大了的信号输出到AD变换器53。此外， 上述差动放大器52将被变换为电压的光接收信号B +和被变换为电压的光接 收信号B -的差放大，并将该放大了的信号输出到AD变换器54。
而且，上述AD变换器53将从差动放大器51输入的放大信号变换为数 字信号A后输出到减法电路55， AD变换器54将从差动放大器52输入的放 大信号变换为数字信号B后输出到减法电路55。于是，减法电路55从上述 数字信号A减去数字信号B，输出减法信号(A-B)。
在该第二实施方式中，上述电流电压变换单元45 48和差动》文大器51、 52和AD变换器53、 54以及减法电路55构成光接收信号处理单元。
在图4的(A相超前)的栏中，表示在移动体31向箭头X1方向移动的 情况下，AD变换器53、 54输出的数字信号A、 B以及减法电路55输出的减 法信号(A-B)的信号波形。而且，在图4的(B相超前)的栏中，表示在
移动体31向箭头X2方向移动的情况下，AD变换器53、 54输出的数字信号 A、 B以及减法电路55输出的减法信号(A-B)的信号波形。
如图4所示，根据该实施方式，通过由减法电路55从数字信号A中减 去数字信号B,从而生成包含相位不同并且对于规定的阈值电平SL的信号电 平不同的A相分量As、 B相分量Bs的减法信号(A-B),作为输出信号。
根据该实施方式，如图4的(A相超前)的栏所示，在阈值电平SL上侧 的A相分量As比在阈值电平SL下侧的B相分量Bs超前的情况下，可以判 别为移动体31向箭头X1的方向移动。此外，如图4的(B相超前)的栏所 示，在B相分量Bs比A相分量As超前的情况下，可以判别为移动体31向 箭头X2的方向移动。
此外，根据本实施方式，与使用脉冲调制器和振荡器生成单一脉冲并输 出的以往例子不同，仅通过在信号处理单元中追加能够充分集成的减法电路 55，就能够得到在每一周期具有多个相位不同的输出分量As、 Bs的减法信号 (A-B),并得到高精度的位置信息，实现电气布线的简化、安装面积的缩 小化。
另外，图3B表示上述第二实施方式的变形例。该变形例中，上述减法电 路55的输出端连接有比较单元66。该比较单元66具有运算放大器64、连接 在该运算放大器64的输出端和运算放大器64的反相输入端子之间的反馈电 阻63、连接到运算放大器64的同相输入端子的基准电压单元65。在该变形 例中，如图3B所示，减法电路55输出的减法信号(A-B)被输入到比较单 元66。上述减法信号(A - B )被输入到比较单元66所具有的运算放大器64 的反相输入端子，在该运算放大器64的同相输入端子上输入来自基准电压单 元65的基准电压。根据该运算放大器64的输出信号，得到稳定的阈值电平。 此外，通过变更由基准电压单元65产生的基准电压的值，从而能够从上述减 法信号(A-B)中取出所需的信号分量并输出。例如，在不需要有关移动方 向的信息的情况下，或者移动信息不要求高精度的情况下，通过将基准电压 设为电源电压或接地(GND ),从而，能够得到A相和B相的仅1相的移动 信息。
此外，在该变形例中，由于通过反馈电路63构成的负反馈电路，将运算 放大器64的输出反馈到反相输入端子，所以通过变更反馈电阻63的电阻值 能够得到所需的输出振幅。此外，代替反馈电阻63,通过将二极管连接到运算放大器64的输出和反相输入端子之间，从而也能够压缩输出信号的振幅变动。
此外，在该实施方式中，如图7所示，也可以在基准电压单元65上连接 npn晶体管71的集电极，将基极与电阻72和电阻73的连接点连接，通过将 连接到电阻72的电源的电压Vcc设定为某一定值以上，从而能够变更输入到 运算放大器64的同相输入端子的基准电压。由此，不增加来自光接收信号处 理单元的输出布线而仅通过调整电源电压，从而在光接收信号处理单元内变 更基准电压，而能够从上述减法信号(A-B)中取出所需的信号分量并输出。 由此，在用一个传输路径输出多个输出分量的情况下，可以使外部的信号处 理变得简单。
(第三实施方式)
接着，图5表示本发明的光学式编码器的第三实施方式。该第三实施方 式与所述第二实施方式不同之处在于，在所述第二实施方式的AD变换器53、 54和减法电路55之间连接了 "异或"电路61和"与，，电路62,以及在减法 电路55的输出端连接了比较单元66。从而，在该第三实施方式中，包括图 3A所示的移动体31、光接收单元32、发光单元33、电流电压变换单元45 48这一点与所述第二实施方式相同。从而，在该第三实施方式中，对与所述 第二实施方式相同的部分赋予相同的符号，并以与所述第二实施方式不同的 部分为主进行-沈明。
如图5所示，在该第三实施方式中，在"异或"电路61的输入端连接了 AD变换器53的输出线67和AD变换器54的输出线68。此外，AD变换器 54的输出线68和"异或"电路61的输出线69连接到"与"电路62的输入 端。此外，"与，，电路62的输出线70和AD变换器53的输出线67连接到减 法电路55的输入端。
该减法电路55的输出连接到比较单元66。该比较单元66具有运算放大 器64、连接到该运算放大器64的输出端和运算放大器64的反相输入端子之 间的反馈电阻63、连接到运算放大器64的同相输入端子的基准电压单元65。
在该第三实施方式中，作为从AD变换器53、 54输出的相位互相差90 。的第一、第二信号的数字信号A、 B被输入到"异或"电路61，该"异或" 电路61将进行了数字信号A和B的"异或"后的第三信号I输出到输出线69。
"与"电路62对从AD变换器54输入的数字信号B和从"异或"电路 61输入的第三信号I进行"与"，从而对输出线70输出第四信号J。然后， 减法电路55从AD变换器53输入的数字信号A中减去第四信号J，从而输 出第五信号K。
这里，图6A表示图3所示的移动体31在箭头XI的方向上移动的情况 下的作为第一、第二信号的数字信号A、 B、第三信号I、第四信号J、第五 信号K的信号波形。此外，图6B表示图3所示的移动体31在箭头X2的方 向上移动的情况下的作为第一、第二信号的数字信号A、 B、第三信号I、第 四信号J、第五信号K的信号波形。
在图6A、图6B所示的第五信号K的信号波形中，阈值电平SL上侧的 信号分量As对应于数字信号A，阈值电平SL下侧的信号分量Bs对应于数 字信号B。从而，根据该实施方式，通过独立计数信号分量As的脉沖上升沿 和信号分量Bs的脉沖的上升沿，从而得到相对位置变化信息，不降低分辨率 而使用单一的传输路径能够传输第五信号K。
此外，通过检测第五信号K中的信号分量As和信号分量Bs的脉冲波形 的时间关系从而能够;险测移动体31的移动方向。例如，在移动体31向箭头 XI方向移动的情况下，如图6A所示，在信号分量As的脉冲波形下降时， 立即产生信号分量Bs的脉沖波形。另一方面，在移动体31向箭头X2方向 移动的情况下，如图6B所示，在信号分量As的脉冲波形下降后，在经过第 五信号K的1/4周期时，产生信号分量Bs的脉沖波形。
从而，通过检测减法电路55输出的第五信号K中的信号分量As和信号 分量Bs之间的时间差，能够容易地;险测移动体31的移动方向。在图6A和 图6B中，表示第五信号K的波形下方的As逻辑值中，在信号K的每1/4周 期(占空的25% )对信号分量As进行了采样的情况下，表示对于阈值电平 SL是否为H(高电平)的逻辑结果'T'、 "0"。此外，在图6A和图6B中， 表示第五信号K的波形下方的Bs逻辑值中，在信号K的每l/4周期(占空 的25% )对信号分量Bs进行了采样的情况下，表示对于阈值电平SL是否为 L (低电平)的逻辑结果'T，、 "0"。
由于图6A中点划线BR所包围的部分的逻辑结果和图6B中点划线BR 所包围的部分的逻辑结果不同，所以通过比4交上述两部分的逻辑结果，从而
能够判别移动体31的移动方向为箭头XI的方向还是箭头X2的方向。作为 一例，如果在显示管示波器等波形显示装置中显示上述第五信号K的信号波 形，则能够根据信号波形的不同而检测移动方向，所以在哪个瞬间都能够检 测移动体的移动方向。根据该实施方式，根据减法电路55输出的第五信号K, 可以通过移动体31的移动方向的正反来变更逻辑值，并且能够正确地检测移 动方向的正反。
此外，在本实施方式中，如图5所示，减法电路55的第五信号K被输 入到比较单元66。上述第五信号K被输入到比较单元66所具有的运算放大 器64的反相输入端子，该运算放大器64的同相输入端子上输入来自基准电 压单元65的基准电压。根据该运算放大器64的输出信号，得到稳定的阈值 电平。此外，通过变更基准电压单元65所产生的基准电压的值，从而可以从 第五信号K中取出所需的信号分量并输出。例如，在不需要有关移动方向的 信息的情况下，或者在移动信息不要求高的精度的情况下，通过将基准电压 设为电源电压或接地(GND)，从而，能够得到A相和B相的仅1相的移动 信息。
此外，在该实施方式中，由于通过反馈电路63构成的负反馈电路将运算 放大器64的输出反馈到反相输入端子，所以通过变更反馈电阻63的电阻值 能够得到所需的输出振幅。此外，代替反馈电阻63，通过将二极管连接到运 算放大器64的输出和反相输入端子之间，从而也能够压缩输出信号的振幅变动。
此外，在该实施方式中，如图7所示，也可以在基准电压单元65上连接 叩n晶体管71的集电极，将基极与电阻72和电阻73的连接点连接，将连接 到电阻72的电源的电压Vcc设定为某一定值以上，从而能够变更输入到运算 放大器64的同相输入端子的基准电压。由此，不增加来自光接收信号处理单 元的输出布线而仅通过调整电源电压，在光接收信号处理单元内变更基准电 压，从而能够从上述第五信号K中取出所需的信号分量并输出。由此，在用 一个传输路径输出多个输出分量的情况下，可以使外部的信号处理变得简单。
(第四实施方式)
图8表示本发明的光学式编码器的第四实施方式的主要部分。该第四实 施方式与所述第二实施方式不同之处在于，在图3A所示的第二实施方式的
AD变换器53和减法电路55之间连接了由电阻82和电容器83所构成的低通 滤波器81。
在该第四实施方式中，通过作为模拟信号生成电路的上述低通滤波器81， 使AD变换器53输出的数字信号A的图4所示的矩形波的上升沿和下降沿随 时间变钝而成为模拟波形。由此，在表示图3A的移动体31向箭头XI方向 移动的情况的图4的(A相超前)的栏中，减法信号(A-B)的A相分量的 上升沿和B相分量的上升沿根据由上述低通滤波器81的电阻82和电容器83 决定的时间常数而变得平緩。
另一方面，在表示图3A的移动体31向箭头X2方向移动的情况的图4 的(B相超前)的栏中，减法信号(A - B )的A相分量的下降沿和B相分量 的下降沿根据由上述低通滤波器81的电阻82和电容器83决定的时间常数而 变得平緩。
从而，根据本实施方式，如图4的(A相超前)的栏所示，在减法信号 (A-B)的A相分量As的上升沿波形平緩的情况下，可以判别移动体31 向箭头X1的方向移动。另一方面，如图4的(B相超前)的栏所示，在减法 信号(A-B)的A相分量As的下降沿波形平緩的情况下，可以判别移动体 31向箭头XI的方向移动。
从而，根据该第四实施方式，可以通过在所述第二实施方式的AD变换
单地判别移动体31的移动方向。
另外，代替在上述AD变换器53和运算电路55之间连接低通滤波器81, 也可以在AD变换器54和减法电路55之间连接低通滤波器而使数字信号B 成为模拟波形。主要是，选定为了能够判别A相超前的情况和B相超前的情 况而模拟化的信号即可。即，用于上述模拟化的模拟信号不限定于从光接收 信号得到，例如也可以将生成三角波的时钟等作为^t拟信号。
(第五实施方式)
接着，图9A、图9B表示本发明的光学式编码器的第五实施方式。该第 五实施方式在以下的(1)、 (2)、 (3)的方面与所述第三实施方式不同。
(1 )如图9B所示，代替图5的减法电路55和比较单元66而包括减法 电^各90。
(2) 如图9A所示，在四个光接收元件41、 42、 43、 44上分别连接电 流分配器91、 92、 93、 94, 乂人该电流分配器91、 92、 93、 94对图9B的电流 电压变换单元45、 46、 47、 48输入光接收信号A+、 A-、 B+、 B-。
(3) 如图9A所示，包括连接到电流分配器91、 92上的电流电压变换 单元95、连接到电流分配器93、 94的电流电压变换单元96、输入端与该电 流电压变换单元95和96连接的减法电路97、被输入该减法电路97的输出 信号的比较器98,该比较器98的输出端连接到图9B的减法电路90的输入 端。
在该第五实施方式中，图9A的电流电压变换单元95将光接收信号A + 和B-相加后的信号((A+ ) + (B-))变换为电压信号后输入到减法电路 97。该加法信号((A + ) + (B -))中移动体31的1间距P的移动相当于 一周期。而且，电流电压变换单元96将光接收信号A-和B +相加后的信号 ((A- ) + (B+ ))变换为电压信号后输入到减法电路97。该加法信号((A -)+ (B+ ))中移动体31的1间距P的移动相当于一周期。此外，上述 加法信号((A + ) + (B -))和加法信号((A - ) + (B+ ))的相位差180
o
而且，该减法电路97从信号((A + ) + (B -))中减去信号((A -) + (B+))，并将该相减后的减法信号输入到比较器98。比较器98将上述减 法信号与直流电源99的一定电压VA进行比较，从而输出模拟输出信号 Alout。该模拟输出信号Alout与移动体31的移动方向无关，成为如图10所 示的半周期为三角波的模拟波形。该三角波的模拟输出信号Alout中1周期 对应于移动体31的1间距的移动。
而且，图9B的"与，，电路62与第三实施方式同样，运算从AD变换器 54输入的数字信号B和从"异或"电路61输入的第三信号I的"与"，并将 第四信号J输出到输出线70上。如图IO所示，该第四信号J中，l周期对应 于移动体31的1间距的移动。
而且，该第四信号J和上述减法电路97输出的模拟输出信号Alout被输 入到减法电^各90,该减法电路90从上述才莫拟输出信号Alout减去上迷第四 信号J,从而输出模拟输出信号A2out。
图10的(A相超前)的栏中表示移动体31向箭头X1方向移动的情况下 的模拟输出信号Alout、第四信号J、模拟输出信号A2out的信号波形。在该
情况下，模拟输出信号A2out的信号波形为与模拟输出信号Alout的下降沿 同时将/4周期的矩形波输出到下侧的波形。另一方面，在移动体31向箭头 X2方向移动的情况下，如图10的(B相超前)的栏所示，模拟输出信号A2out 的信号波形为从模拟输出信号Alout的下降沿起延迟1/4周期而将矩形波输 出到下侧的波形。
从而，根据该第五实施方式，在A相超前的情况下，上述比较器98输 出的模拟输出信号A2out的矩形波分量出现在模拟输出信号Alout的三角波 分量之后。另一方面，在B相超前的情况下，上述比较器98输出的模拟输出 信号A2out的矩形波分量从模拟输出信号Alout的三角波分量起延迟1/4周 期出现。通过这样的波形的不同，能够容易地^r测移动体31的移动方向。此 外，根据该第五实施方式，通过模拟输出信号A2out的三角波的部分能够高 精度地检测移动量。此外，根据该第五实施方式，由于不需要放大器的增益 变更和时间常数的变更，所以能够在宽范围的频率区域中稳定地动作。
另外，上述实施方式中，使用数字信号A和B的"异或"与数字信号B 的"与"即输出信号J作为数字信号，但也可以使用数字信号A和B的"异 或"与数字信号A的"与"信号作为数字信号。主要是使用能够判别A相超 前的情况和B相超前的情况的数字信号即可。
(第六实施方式)
接着，图11表示具有本发明的上述第一实施方式的光学式编码器的电子 设备即第六实施方式。该第六实施方式与所述第一实施方式不同之处在于在 具有图1的第一实施方式的加法电路22的输出端连接的第一、第二、第三比 较器101、 102、 103。从而，在该第六实施方式中，以与所述第一实施方式 不同点为主进行说明。
如图11所示，该第六实施方式具有作为比较单元的第一-第三的三个比 较器101 ~ 103，该三个比较器101 ~ 103的同相输入端子连接到加法电路22 的输出端。此外，第一比较器101的反相输入端子连接到产生第一基准电压 V0的直流电源105。此外，第二比较器102的反相输入端子连接到产生第二 基准电压VI的直流电源106。此外，第三比较器107的反相输入端子连接到 产生第三基准电压V2的直流电源107。上述第一、第二、第三基准电压V0、 VI、 V2分别对应于图2以及图12A、图12B所示的阈值电平0、 1、 2。图12A是表示图1的移动体1向箭头XI移动的情况下的光接收信号A、 B、 C的波形、加法电路22的输出信号Y的波形、第一、第二、第三比较器 101、 102、 103的输出信号XA、 XB、 XC的波形的波形图。此外，图12B是 表示图1的移动体1向箭头X2移动的情况下的光接收信号A、 B、 C的波形、 加法电路22的输出信号Y的波形、第一、第二、第三比较器101、 102、 103 的输出信号XA、 XB、 XC的波形的波形图。
如图12A、图12B所示，第一比较器101的输出信号XA的波形为通过 光接收信号A和C的上升沿和下降沿而切换逻辑的波形。另外，移动体l的 移动量仅通过上述输出信号XA也能够检测，所以也可以是仅具有第一 第 三比较器101 ~ 103中的第一比较器101的结构。此外，也可以是仅具有第一 第三比较器101 ~ 103中的其中一个的结构。
另一方面，仅通过上述输出信号XA不能检测出移动体1的移动方向。 因此，通过检测输出信号XA和输出信号XC的逻辑的切换的不同，可以检 测移动体1的移动方向。例如，通过"异或"电路取输出信号XA和输出信 号XC的"异或"，并将该"异或"的信号Z作为计数器的时钟输入。根据该 "异或"的信号Z的前后关系能够输出脉冲宽度不同的信号，并能够通过该 信号的脉冲宽度的长短来判别移动体1的移动方向的正、反(X1、 X2)。
此外，代替取输出信号XA和输出信号XC的"异或，，，也可以通过"异 或"电路取输出信号XA和输出信号XB的"异或"，并将该"异或"的信号 Z2作为计数器的时钟输入。也可以通过该"异或"的信号Z2的前后关系输 出脉沖宽度不同的信号。主要是，如图12A、图12B所示，如果利用输出信 号XB和输出信号XC波形因移动体1的移动方向的正反而不同的情况，则 能够检测移动体1的移动方向，所以用于此的信号处理的方法可以适当选择 上述以外的方法。此外，上述信号处理使用微型计算机选择容易的方法即可。
从而，根据该第六实施方式的电子设备，通过将第一、第二、第三基准 电压VO、 VI、 V2与加法电路22的输出信号进行比较的第一、第二、第三比 较器101、 102、 103连接到具有上述"与"电路或"异或"电路、计数器的 外部信号处理电路，从而能够在减少了输出的布线数的状态下，容易地得到
包含移动体1的移动量和移动方向的移动信息。
另外，根据包括上述第一-第五实施方式的光学式编码器的电子设备， 能够削减用于光学式编码器的布线数从而实现小型化，并且能够高精度地检
测移动信息。例如，通过在喷墨打印机的喷墨头单元中采用上述第六实施方 式的电子设备，从而能够在减少了从光学式编码器输出的布线数的状态下， 容易地得到作为移动体的喷墨头单元的移动信息。
以上，说明了本发明，但很明显可以进行各种变更。这样的变更不应视 作超出本发明的精神和范围，对于本领域技术人员自然明白的变更都包含于 权利要求范围中。
权利要求
1.一种光学式编码器，包括发光单元和具有在来自上述发光单元的光能够到达的区域内排列配置在一个方向上的多个光接收元件的光接收单元，并且检测移动体的移动，所述移动体具有在通过与上述光接收元件对应的规定位置时使得成为上述光射入上述光接收元件的状态的光接通部分，以及在通过与上述光接收元件对应的规定位置时使得成为上述光不射入上述光接收元件的状态的光关断部分，并且在上述一个方向上移动时，上述光接通部分和光关断部分交替通过上述规定位置，其特征在于，所述光学式编码器包括光接收信号处理单元，从上述多个光接收元件被输入相位不同的多个光接收信号，对该多个光接收信号进行包含逻辑运算处理、加法处理、减法处理中的至少一个信号处理的信号处理，输出包含多个信号分量的输出信号，所述多个信号分量的相位不同而且相对于规定的阈值电平的信号电平不同。
2. 如权利要求1所述的光学式编码器，其特征在于，具有多个由上述光接收单元和光接收信号处理单元所构成的检测单元，通过该多个检测单元^^测在互相不同的方向上移动的多个移动体的移动。
3. 如权利要求1所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有减法电路，其对上述多个光接收信号进行减法运算，生成包含多个信号分量的输出信号，所述多个信号分量的相位不 同而且相对于规定的阈值电平的信号电平不同。
4. 如权利要求3所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有比较单元，其将上述减法电路输出的信号和规定的基准电压进行比较，从而输出该比较结果。
5. 如权利要求4所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有基准电压单元，其能够变更上述规定的基准电压的值。
6. 如权利要求1所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有"异或"电路，其对从上述多个光接收信号得到的相位互相差90°的第 一、第二信号的"异或，，进行运算，从而输出第三信号；"与，，电路，其对上述"异或，，电路输出的第三信号和上述第一、第二 信号中的一个的"与"进行运算，从而输出第四信号；以及减法电路，其从上述第一、第二信号中的另一个中减去上述"与，，电路 输出的第四信号，从而输出第五信号。
7. 如权利要求6所述的光学式编码器，其特征在于，上述光接收信号处理单元具有比较单元，其对上述减法电路输出的信号 和规定的基准电压进行比较，从而输出该比较结果。
8. 如权利要求6所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有负反馈电路，其包括运算放大器，该运算放大器在反相输入端子被输入上述减法电路输出的第五信号，同时在同相输 入端子被输入规定的基准电压。
9. 如权利要求7所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有基准电压单元，其能够变更上述规定的基准电压的值。
10. 如权利要求1所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有生成模拟信号的模拟信号生成电路，并输出包含由该模拟信号生成电路生成的上述模拟信号的模拟信号分量的输出信号。
11. 如权利要求IO所述的光学式编码器，其特征在于， 上述光接收信号处理单元具有数字信号生成电路，其从上述光接收信号中生成与上述模拟信号生成电路生成的模拟信号相位不同的数字信号，并且上述光接收信号处理单元包括减法电路，对上述模拟信号和上述数 字信号进行减法运算，从而生成包含多个信号分量的输出信号，所述多个信 号分量的相位不同而且相对于规定的阈值电平的信号电平不同。
12. —种电子设备，其特征在于，包括权利要求1所述的光学式编码器， 并且具有比较单元，其对上述光接收信号处理单元输出的上述包含多个信号 分量的输出信号和与上迷阈值电平对应的基准电压进行比较，从而输出该比 较结果，所述多个信号分量的相位不同而且相对于规定的阈值电平的信号电 平不同。
13. —种电子设备，其特征在于，包括权利要求IO所述的光学式编码器， 并且具有比较单元，其对上述光接收信号处理单元输出的包含上述模拟信号 分量的输出信号和多个不同的基准电压进行比较，从而输出该比较结果产生的多个数字信号。
14 —种电子设备，包括权利要求！所述的光学式编码器
全文摘要
该光学式编码器包括发光单元和在来自发光单元的光能够到达的区域内排列配置在一个方向上的多个光接收元件。移动体包含光接通部分和光关断部分。移动体的光接通部分和光关断部分通过与光接收元件对应的规定的位置，从而光接收元件检测移动体的移动。光接收信号处理单元从多个光接收元件输入相位不同的多个光接收信号，对这多个光接收信号进行包含逻辑运算处理、加法处理、减法处理中的至少一个信号处理的信号处理，并输出包含相位不同而且相对于规定的阈值电平的信号电平不同的多个信号分量的输出信号。
文档编号G01D5/36GK101339054SQ20081012740
公开日2009年1月7日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年7月5日
发明者冈田教和, 木村直正 申请人:夏普株式会社