JP2000321097A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反射格子および光透過型の格子を用いて、３
枚格子の理論に基づき、小型コンパクトで分解能の高い
光学式エンコーダを実現すること。 【解決手段】 光学式リニアエンコーダ１では、ＬＥＤ
２からの光は、半導体移動板３に形成した光透過型の移
動格子３１を通過した後に反射格子板４の反射格子４１
で反射される。反射格子像は、半導体移動板３に形成さ
れている格子状のホトダイオード３２によって検出され
る。移動格子３１およびホトダイオード３２が共通の半
導体基板に作り込まれており、しかも、格子状のホトダ
イオード３２によってレンズ効果が得られるのでレンズ
光学系が不要となるので、小型でコンパクトなエンコー
ダを実現できる。また、３枚格子の理論に基づき反射格
子と移動格子の間隔の広狭、当該間隔の変動が検出精度
に悪影響を及ぼすことがないので、これらの部品の取り
付けが簡単になり、また取り付け位置の制約も緩和され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、小型でコンパクト
に構成することができ、また、精度良く移動物体の位置
等を検出することのできる光学式エンコーダに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】移動物体の回転あるいは移動量を検出す
る検出装置はロータリエンコーダあるいはリニアエンコ
ーダと呼ばれ、一般に、光源および受光素子の間に移動
格子板および固定格子板が配置され、これらの格子板に
形成されている移動格子および固定格子を通過して光源
から受光素子に到る透過光の光量変化に基づき、移動格
子板と一体となって移動する移動物体の移動量を検出す
るように構成されている。

【０００３】この構成の光学式エンコーダの分解能は格
子ピッチにより決まるので、高分解能のエンコーダを実
現するためには格子ピッチを小さくすればよい。しか
し、格子ピッチを小さくするためには移動格子板と固定
格子板の隙間もそれに合わせて小さくしないと、光の漏
れによりＳ／Ｎ比が低下する。また、移動格子の移動に
伴う格子間の隙間変動も小さくしないとＳ／Ｎ比が低下
する。

【０００４】格子間の隙間を小さくすること、および隙
間変動の抑制には限界があるので、光の漏れおよび隙間
変動に起因するＳ／Ｎ比の低下を回避するためは、平行
光線を用いる方法が有効である。光源からの発散光を平
行光とするにはコリメートレンズ等のレンズ光学系を用
いればよく、このようなレンズ光学系を備えた光学式エ
ンコーダも知られている。しかし、光学式エンコーダに
おいて一般的に使用されている光源はＬＥＤであり、Ｌ
ＥＤは点光源ではないので、高品位の平行光線を得るこ
とが困難である。また、レンズ光学系を追加するため
に、その分、装置寸法が大きくなってしまう。

【０００５】一方、光の回折現象を利用して高分解能の
光学式エンコーダを実現する方法が知られている。この
方法によるエンコーダでは、半導体レーザー等の点光源
から出射されレンズにより平行光化された光を微小ピッ
チの格子を透過させ、平行光が格子を透過する際に発生
する回折と干渉に起因する受光素子での受光量の変化に
基づき、移動物体の移動量を検出している。この方法を
採用した場合には、上記構成のエンコーダに比べて格子
ピッチを小さくでき、且つ、干渉による光の分布が正弦
波に近いので、精度の良い電気分割ができる。しかしな
がら、格子自体および装置機構に高精度が求められるの
で、装置価格が高く、また、光源として用いている半導
体レーザーの信頼性が低いという欠点がある。

【０００６】次に、光学式エンコーダとしては、レンズ
を通して、移動格子の像を格子状に配列した受光素子に
結像する空間フィルターエンコーダが本願人による特開
平６−１１８０８８号公報において提案されている。こ
の方法では、フィルター効果によって、格子移動によっ
て生ずる信号の高調波成分を打ち消すことができるの
で、正弦波に近い信号を得ることができ、従って、分割
器を用いて分解能を高めることが可能である。しかし、
格子ピッチを小さくした場合には受光光像のコントラス
トを高めることが困難であり、また、レンズ光学系を用
いるために装置寸法が大きくなるという欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ここで、「グレーティ
ングの像形成解析と変位計測へのＩＴＳの応用」（ＳＰ
ＩＥ、第１３６巻、光学の計量学への応用に関する第１
回欧州会議（１９７７）、第３２５〜３３２頁）（"ANA
LYSIS OF GRATING IMAGING AND ITS APPLICATIONTO DIS
PLACEMENT METROLOGY",SPIE Vol.136 1st European Con
gress on OpticsApplied to Metrology (1977), pp.325
〜332)には、３枚格子の理論と変位測定への応用につい
て報告されている。この報告書に記載されているよう
に、インデックス格子板と反射格子板とを対峙させ、イ
ンデックス格子板の後ろに発光源と受光素子を配置し、
光源から出射されインデックス格子板のインデックス格
子を透過して反射格子板の反射格子で反射され、再びイ
ンデックス格子を透過した光を受光素子で検出すること
により、反射格子の移動量を検出できる。

【０００８】この構成によれば、インデックス格子と反
射格子の間隔を大きくしてもコントラストに影響が及ば
す、また、これらの格子の隙間変動に起因するコントラ
ストへの影響も殆どない。

【０００９】したがって、反射格子を用いた３枚格子の
理論に基づけば、固定格子および移動格子の間隔の広狭
あるいは当該間隔の変動に影響を受けることのない高分
解能の光学式エンコーダを実現可能である。

【００１０】しかしながら、光学式エンコーダに適用す
るに当たっては次のような解決すべき課題がある。

【００１１】まず、この構造のエンコーダでは、インデ
ックス格子の後ろに、発光源と受光素子を配置する必要
あるので、構造が複雑化し、光量検出効率も低いという
問題点がある。また、エンコーダとして用いる場合に
は、検出対象の移動物体の移動方向を検出するために少
なくとも２つの受光素子を用いて相互に位相が１／４位
相分だけずれた信号を作り出すことが必要である。しか
し、インデックス格子の後ろに、発光源および少なくと
も２個の受光素子を配置し、これらの受光素子から１／
４位相分だけ位相がずれた信号を取り出す構成を実現す
ることは困難である。

【００１２】本発明の課題は、このような点に鑑みて、
反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、小型でコン
パクトに構成でき、しかも、移動速度および移動方向
（移動位置）を検出することのできる光学式エンコーダ
を実現することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる着想
の下に、共通の半導体基板に格子と受光素子を作り込む
ことにより、移動物体の移動方向を検出するために必要
な１／４位相だけ位相ずれたＡ相およびＢ相の信号を生
成可能とし、以て、反射格子および移動格子の間隔の広
狭および当該間隔の変動に影響を受けることなく移動物
体の移動量を検出するための小型でコンパクトな光学式
エンコーダを案出するに到ったのである。

【００１４】すなわち、本発明は、光源と、一定ピッチ
あるいは角度で反射格子が複数本形成された反射格子板
と、一定ピッチあるいは角度で光透過格子が複数本形成
された移動格子板と、前記光源から出射され前記光透過
格子を透過して前記反射格子で反射された反射光像を受
光する受光素子とを有する光学式エンコーダであって、
前記光透過格子板および前記受光素子が共通の半導体基
板に作り込まれており、前記受光素子は一定ピッチある
いは角度で形成された格子であり、各受光素子から得ら
れる検出信号に基づき、前記移動格子および前記反射格
子の相対移動方向および速度（移動位置）を検出するこ
とを特徴としている。

【００１５】ここで、前記半導体基板には、前記受光素
子と前記光透過格子を交互に形成することができる。こ
の場合、前記光透過格子は、前記半導体基板に形成した
光通過用スリット、あるいは、当該半導体基板に形成し
た光透過用の薄膜部分とすることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明を
適用した光学式リニアエンコーダの例を説明する。

【００１７】図１（ａ）〜（ｃ）は本例の光学式リニア
エンコーダの概略構成を示す図である。これらの図を参
照して説明すると、本例の光学式リニアエンコーダ１
は、光源としてのＬＥＤ２と、移動格子および受光素子
が作り込まれている半導体移動板３と、反射型の固定格
子板４と、制御回路部５から基本的に構成されている。
半導体移動板３には、後述するように、一定のピッチで
一定の幅の縦縞状の光透過用格子３１と受光素子として
のホトダイオード３２（図１（ｃ）における網かけ部
分）とが平面方向に交互に形成されている。固定格子板
４には受光側の表面４ａに、一定のピッチで一定の幅の
縦縞状の反射格子４１が平面方向に配列されている。

【００１８】制御回路部５は、ホトダイオード３２の検
出信号に基づき１／４位相分だけ位相のずれたＡ相信号
およびＢ相信号を形成する信号処理部５１と、これらＡ
相およびＢ相信号に基づき半導体移動板３の移動速度、
移動方向等の移動情報を演算するための演算部５２と、
演算結果を表示する表示部５３と、ＬＥＤ２の駆動をフ
ィードバック制御するランプ駆動部５４とを備えてい
る。

【００１９】なお、上記の演算部５２、表示部５３、ラ
ンプ駆動部５４は制御回路部５に内蔵せずに、外部回路
として接続してもよいことは勿論である。

【００２０】図２には半導体移動板３の光透過用スリッ
ト形成部分およびホトダイオード形成部分の断面構成を
示してある。この半導体移動板３はシリコン基板等の半
導体基板３３を備え、この半導体基板３３には、図２
（ｂ）から分かるように、一定のピッチで一定幅をした
縦縞模様の光透過型移動格子３１がエッチ除去により形
成されている。

【００２１】図２（ａ）から分かるように、半導体基板
３３における各移動格子３１の間に残っている半導体基
板の部分には、当該半導体基板部分３４と、この表面か
らボロンをドーブすることにより形成したボロンドープ
層３５から構成されるｐｎ接合のホトダイオード３２が
作り込まれている。勿論、これ以外の方法によりホトダ
イオード３２を半導体基板３３に作り込んでもよいこと
は勿論である。

【００２２】各ホトダイオード３２のボロンドープ層３
５にはアルミニウム製の電極層３６が接続されており、
半導体基板３３の側には同じくアルミニウム製の共通電
極層３７が接続されている。電極素材としてはアルミニ
ウム以外の導電性素材を用いることができることは勿論
である。

【００２３】電極層３６と半導体基板３３の間はシリコ
ン酸化膜からなる絶縁層３８により絶縁されている。ま
た、半導体基板３３の露出表面は耐久性を確保するため
にシリコン酸化膜によって覆われている。同様に、ボロ
ンドープ層３５の表面もシリコン酸化膜によって覆われ
ている。

【００２４】このように構成した本例のリニアエンコー
ダ１において、半導体移動板３を測定対象物（図示せ
ず）と一体化させて、光軸Ｌに直交する方向で、しか
も、スリットおよびホトダイオードの配列方向に移動さ
せると、ＬＥＤからの出射光は、まず、半導体移動板３
の背面を照射し、当該半導体移動板３に形成されている
光透過用格子３１を通過して反射型固定格子板４を格子
縞状に照射する。

【００２５】固定格子板４にも一定のピッチの同一幅の
反射格子４１が形成されているので、当該固定格子板４
を照射した光は各反射格子４１に照射部分のみが反射さ
れる。反射格子像は再び半導体移動板３を照射し、一定
のピッチの一定幅で形成されている縦縞状ホトダイオー
ド３２によって受光される。このように、本例では、半
導体移動板３に形成された縦縞状の光透過用格子３１と
ホトダイオード３２とが２枚の格子板として機能する。
従って、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、ホ
トダイオード３２においては、反射格子４１と移動格子
（３１、３２）の相対移動に対応して受光量が正弦波状
に変化する。よって、ホトダイオード３２の光電流に基
づき相対移動速度に対応したパルス信号を得ることがで
き、当該パルス信号のパルスレートに基づき相対移動速
度を演算できる。

【００２６】また、図１（ａ）に示すように、奇数番目
のホトダイオードの出力の総和に基づき、例えば、Ａ相
信号を生成し、偶数番目のホトダイオードの出力の総和
に基づき、１／４位相だけ位相のずれたＢ相信号を生成
することも可能である。これらの２相の信号に基づき、
移動格子の移動方向を判別できる。

【００２７】このように、本例の光学式リニアエンコー
ダ１においては、移動格子および受光素子を半導体製造
技術により制作しているので、微小ピッチの格子を製造
することができるので、高分解能のエンコーダを実現で
きる。

【００２８】また、一定ピッチで縦縞状に形成された受
光素子が格子として機能し、しかも、当該格子自体がレ
ンズ効果を持つので、レンズ光学系を用いる必要が無
く、装置の小型化を達成できる。

【００２９】さらには、３枚格子の理論により、反射格
子と移動格子の隙間の広狭および、当該隙間の変動が分
解能に悪影響を及ぼすことがないので、これらが形成さ
れている部材の取り付け精度を確保するための調整作業
を簡略化でき、また、取り付け場所の制約が少なくな
る。

【００３０】これに加えて、反射格子と移動格子の間隔
を広くできるので、例えば反射格子の側を保護ケース等
に収納して耐環境性を高めることも可能となる等の利点
がある。

【００３１】（受光素子の配列）図４には、半導体移動
板３に形成される縦縞状の光透過用格子３１およびホト
ダイオード３２の配列例を示してある。

【００３２】図４（ａ）に示す例は、所謂、田の字配置
例であり、半導体基板３Ａには、田の字状となるように
４箇所に、縦縞状の光透過用格子、縦縞状のホトダイオ
ードが交互に形成された領域３０１〜３０４が形成され
ている。ここで、領域３０１のホトダイオード群からは
Ａ相信号が得られ、この領域３０１に対して１／８ピッ
チ横方向にずれている領域３０２のホトダイオード群か
らはＢ相信号が得られる。

【００３３】領域３０１の下側の位置において当該領域
に対して横方向に１／１６ピッチずれている領域３０３
のホトダイオード群からはＡ相の反転信号が得られ、同
様に、当該領域３０３に対して横方向に１／８ピッチず
れている領域３０４のホトダイオード群からＢ相の反転
信号が得られるように構成されている。

【００３４】図４（ｂ）に示す例は、列配置の例であ
り、半導体基板３Ｂには、当該基板の移動方向に直交す
る方向に４列の領域４０１〜４０４が形成されている。
最も上の領域４０１には、基板移動方向に向けて一定の
ピッチで縦縞状の光透過用格子と縦縞状のホトダイオー
ドとが交互に形成されている。領域４０２は領域４０１
に対して横方向に１／８ピッチずれており、光透過用格
子とホトダイオードとが交互に形成されている。この領
域４０２の下側の領域４０３は一番上の領域４０１に対
して横方向に１／１６ピッチずれており、光透過用格子
とホトダイオードとが交互に形成されている。

【００３５】さらに、領域４０４は領域４０２に対して
横方向に１／１６ピッチずれており、光透過用格子とホ
トダイオードとが交互に形成されている。領域４０１の
ホトダイオード群からＡ相信号が得られ、領域４０２の
ホトダイオード群からはＢ相信号が得られ、領域４０３
のホトダイオード群からはＡ相の反転信号が得られ、領
域４０４のホトダイオード群からはＢ相の反転信号を得
ることができる。

【００３６】図４（ｃ）は格子配置の例であり、半導体
基板３Ｃの移動方向（横方向）に一定の間隔で複数の領
域、図においては３つの領域５０１〜５０３が形成され
ている。各領域には、縦縞状の光透過部分３１Ｃ（斜線
で示す部分）と、これらの間に形成された縦縞状のホト
ダイオード３２Ｃが交互に一定のピッチで形成されてい
る。

【００３７】隣接する領域５０１と５０２の間、領域５
０２と５０３の間を１ピッチとすると、各領域は１／２
ピッチの幅を有し、そこに図４（ｄ）に示すように、４
本のホトダイオード３２Ｃが形成されている。各ホトダ
イオード３２Ｃの幅は１／１６ピッチであり、ホトダイ
オードの間隔は１／８ピッチである。左右両側のホトダ
イオードと領域境界との間には１／３２ピッチの隙間が
開いているが、この隙間は１／３２ピッチに限定される
ものではない。

【００３８】なお、光透過用格子あるいは光透過部分
と、ホトダイオードのそれぞれの幅の比も１：１に限定
されるものではない。

【００３９】（Ｓ／Ｎ比の改善方法）次に、上記構成の
半導体移動板３に形成されたホトダイオード３２は、そ
の裏面側から光が照射されるので、その暗電流が増加
し、Ｓ／Ｎ比が低下するおそれがある。この弊害を回避
するためには次のようにすればよい。

【００４０】図５に示すように、半導体移動板３におけ
る裏面側、すなわち、光源側に、アルミニウム、金等の
素材からなる反射膜（遮光膜）を蒸着等の方法により、
積層すればよい。この場合、ホトダイオード３２の側面
部分にも反射膜を形成すればより効果が良くなる。図に
おいては、反射膜の形成可能な領域を点線で示してあ
る。

【００４１】（光透過部分の形成方法）上記の例ではド
ライエッチングにより半導体移動板を、その表面に対し
て直交する方向にエッチングしてスリットを形成するよ
うにしている。この代わりに、安価な製造方法であるウ
エットエッチングを採用することもできる。この場合に
は、結晶方位に起因した異方性エッチングとなり、図６
に示すように半導体基板表面に対して傾斜した側面のス
リットが形成される。

【００４２】この場合においても、ホトダイオードとし
て残っている部分の裏面（光源側）に、点線で示す部分
に、反射膜を蒸着等の方法により形成すれば、ホトダイ
オードの暗電流を低減でき、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

【００４３】（その他の実施の形態）なお、本例におい
ては、半導体移動板３の光透過型移動格子３１は、半導
体基板に開けた光通過用のスリットであるが、この代わ
りに、充分な量の光が透過できる薄膜を半導体基板に対
してエッチングにより形成し、各薄膜部分を移動格子と
することも可能である。

【００４４】また、図３に示すように、ホトダイオード
３２Ａが形成されている半導体基板３３Ａの裏面側の部
分をエッチングすることにより、充分な光が透過可能な
薄膜部分を形成し、当該薄膜部分を移動格子３１Ａとし
て利用することも可能である。このような透明な半導体
受光素子は、本発明者の一人によって、平成１０年４月
３０日提出の特願平１０−１２０８４８号の明細書、図
面において提案されている。

【００４５】一方、上記の例では、反射格子４１が形成
されている側を固定側としてあるが、当該反射格子４１
の側を移動側とし、半導体移動板３の側を固定側とする
ことも可能である。

【００４６】また、上記の例では光源としてＬＥＤを用
いてるが、レーザー光源等のその他の光源を利用するこ
とも可能である。

【００４７】さらに、上記の例はリニアエンコーダに関
するものであるが、ロータリーエンコーダに対しても本
発明を同様に適用可能である。この場合には、光透過部
分とホトダイオードの部分とを、円周方向に向けて一定
の角度で形成すればよい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学式エ
ンコーダにおいては、３枚格子理論に基づき反射格子と
移動格子を用いてこれらの相対移動に関する情報を検出
可能な反射格子像を受光素子に形成すると共に、移動格
子と受光素子を共通の半導体基板上に作り込んだ構成を
採用している。

【００４９】従って、本発明のエンコーダによれば、移
動格子の後ろ側に、別部品としての受光素子を配置する
必要がなく単に光源を配置するだけでよい。また、半導
体基板に形成された格子状の受光素子そのものがレンズ
効果を持つので、レンズ光学系を用いることなく空間フ
ィルタエンコーダを実現できる。よって、装置を小型で
コンパクトにすることができる。

【００５０】また、半導体基板に移動格子を形成してい
るので、微小ピッチの格子を半導体製造技術により精度
良く形成できるという利点がある。

【００５１】さらには、３枚格子の理論により、反射格
子と移動格子の間隔の広狭、および当該間隔の変動によ
り検出信号のコントラストが低下してしまうこともない
ので、これら反射格子および移動格子が形成されている
部品の取り付け作業が簡単になり、また、これらの部品
の取り付け位置の制約も緩やかになるという利点もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明を適用した光学式リ
ニアエンコーダの構成を示す説明図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１の半導体移動板に
形成されたホトダイオードおよび光透過型移動格子の部
分の概略断面構成図である。

【図３】半導体移動板の別の例を示す断面構成図であ
る。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は、受光素子における光透過部
分およびホトダイオードからなる領域の配置形態の３例
を示す説明図である。

【図５】受光素子のＳ／Ｎ比を改善するための方法を示
す説明図である。

【図６】受光素子の光透過部分をウエットエッチングに
より形成する場合を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 光学式リニアエンコーダ ２ ＬＥＤ ３ 半導体移動板 ３１ 光透過型の移動格子 ３２ ホトダイオード ３３ 半導体基板 ３４ 半導体基板部分 ３５ ボロンドープ層 ３６ 電極層 ３７ 共通電極層 ３８ シリコン酸化膜（絶縁層） ４ 反射格子板 ４１ 反射格子 ５ 制御回路部 ５１ 信号処理部 ５２ 演算部 ５３ 表示部 ５４ ランプ駆動制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F103 BA00 BA31 BA37 CA01 CA02 CA03 DA01 DA12 DA13 EA06 EA17 EA20 EB02 EB06 EB12 EB16 EB32 EB37 EC02 FA12 GA15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、一定ピッチあるいは角度で所定
   形状の反射格子が複数本形成された反射格子板と、一定
   ピッチあるいは角度で所定形状の光透過格子が複数本形
   成された移動格子板と、前記光源から出射され前記光透
   過格子を透過して前記反射格子で反射された反射光像を
   受光する受光素子とを有する光学式エンコーダであっ
   て、 前記光透過格子板および前記受光素子は共通の半導体基
   板に作り込まれており、前記受光素子は一定ピッチある
   いは角度で形成された所定形状の格子であり、各受光素
   子から得られる検出信号に基づき、前記移動格子および
   前記反射格子の相対移動方向および速度を検出すること
   を特徴とする光学式エンコーダ。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記半導体基板には、前記受光素子と前記光透過格子が
   交互に形成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３】 請求項２において、 前記光透過格子は、前記半導体基板に形成した光通過用
   スリット、あるいは、当該半導体基板に形成した光透過
   用の薄膜部分であることを特徴とする光学式エンコー
   ダ。