JP2002236034A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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の光源一体型半
導体移動板ユニット１０では、面発光ダイオード１４、
１５からの光は、半導体移動板１２に形成した光透過型
の移動格子１７、１８を通過した後に反射格子板の反射
格子で反射される。反射格子像は、半導体移動板１２に
形成されている格子状のホトダイオード１９、２０によ
って検出される。移動格子１７、１８およびホトダイオ
ード１９、２０が共通の半導体基板１２に作り込まれて
おり、この半導体基板１２の背面側には面発光ダイオー
ド１４、１５が密接配置されている。従って、小型でコ
ンパクトな薄型の光学式エンコーダを実現できる。ま
た、面発光ダイオード１４、１５を用いているので、点
光源を用いる場合とは異なり、受光素子１９、２０での
受光量を確保でき、また、光軸合わせが不要となる。よ
って、精度の高い検出を期待できる。

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】本願人は先に、特開２０００―３２１０
９７号公報において、３枚格子理論に基づく光学式エン
コーダを提案している。図１に示すように、この光学式
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、一定のピッチで一定
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。

【０００３】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。

【０００４】図２に示すように、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３
３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。図２（ａ）からわかるよう
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プ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。

【０００５】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。電極層３６と半導体基板３
３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。

【０００６】この構成の光学式エンコーダ１では、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。ＬＥＤ２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。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に照射した成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。

【０００７】このように、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。

【０００８】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、１／４λ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。

【０００９】このように、上記の公開公報に開示されて
いる光学式エンコーダにおいては、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。よって、高分解能
のエンコーダを実現できる。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、受光素子等の
素子サイズはコストに直結するので、極力小さくするこ
とが望ましい。また、受光素子での受光効率を高めるた
めには、光源を受光素子に可能な限り接近させることが
望ましい。

【００１４】このような観点からは、例えば、図３に示
すように、ＬＥＤの発光点２ａを光透過格子に近づけた
位置２ｂとし、ＬＥＤの発散角θを大きくすれば、受光
素子３２での反射光受光面積を広くできる。しかしなが
ら、ＬＥＤの出射角θを広くすることは、ＬＥＤのレン
ズ寸法等から現実的な解決策ではない。ＬＥＤの発散角
θをそのままの状態で受光素子に接近させると、受光素
子での反射光の有効受光面積が大幅に減少してしまうの
で、好ましくない。

【００１５】本発明の課題は、このような点に鑑みてな
されたものであり、受光素子に対して光源を接近した位
置に配置可能な光学式エンコーダを提案することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、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ている反射格子板
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、前記光透過格子および前記受光素子が作り込
まれた共通の半導体基板と、前記光源としての面発光ダ
イオードとを有し、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、前記移動格子板および前
記反射格子板の相対移動方向および速度を検出するよう
になっており、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してい
る。

【００１７】ここで、前記面発光ダイオードを保持して
いる保持基板を有し、この保持基板は表面に前記面発光
ダイオードが装着された凹部を備えており、この保持基
板の表面に前記半導体基板が積層接着されていることが
望ましい。

【００１８】本発明では、光源として面発光ダイオード
を用いているので、この面発光ダイオードと反射格子の
ギャップを小さくしても、受光素子での反射光の有効受
光面積を広くできる。また、面発光ダイオードを移動格
子の背面側に密着して配置してあるので、受光素子での
反射光の受光量を増加させることができる。よって、Ｓ
／Ｎ比が改善され、かつ、極めて薄型の光学式エンコー
ダを実現できる。

【００１９】本発明において、前記半導体基板には、前
記受光素子と前記光透過格子を交互に配列することがで
きる。この代わりに、前記半導体基板に、前記受光素子
のみを所定の間隔で配列した領域と、前記光透過格子の
みを所定の間隔で配列した領域とを形成してもよい。

【００２０】ここで、前者のように受光素子と光透過格
子を交互に配列する場合には、次のようにして、９０度
位相のずれた検出信号（Ａ相信号およびＢ相信号）を得
ることができる。

【００２１】第１の形態では、前記受光素子と前記光透
過格子が交互に配列された第１の領域と、前記受光素子
と前記光透過格子が交互に配列された第２の領域とを形
成する。また、前記第１の領域の前記受光素子から得ら
れる検出信号が、前記第２の領域の前記受光素子から得
られる検出信号に対して９０度位相がずれるように、前
記第１の領域の受光素子と前記第２の領域の受光素子の
位置関係を決める。この結果、第１の領域からは例えば
Ａ相信号が得られ、第２の領域からはＢ相信号が得られ
る。

【００２２】この場合、更に、前記受光素子と前記光透
過格子が交互に配列された第３の領域と、前記受光素子
と前記光透過格子が交互に配列された第４の領域とを形
成し、前記第３の領域の前記受光素子から得られる検出
信号が、前記第１の領域の前記受光素子から得られる検
出信号に対して１８０度位相がずれるように、前記第３
の領域の受光素子の位置を決定し、さらに、前記第４の
領域の前記受光素子から得られる検出信号が、前記第２
の領域の前記受光素子から得られる前記検出信号に対し
て１８０度位相がずれるように、前記第４の領域の受光
素子の位置を決定することが望ましい。

【００２３】このようにすれば、第３の領域から、例え
ば、Ａ相信号の反転信号が得られ、他方の第４の領域か
らＢ相の判定信号が得られる。

【００２４】次に、第２の形態では、各受光素子が所定
間隔で配列された二分割型受光素子であり、一方の第１
の二分割型受光素子から得られる第１の検出信号が、他
方の第２の二分割型受光素子から得られる第２の検出信
号に対して９０度位相がずれるように、これらの二分割
型受光素子の間隔が決定されている。この構成によれ
ば、第１の二分割型受光素子から例えばＡ相信号が得ら
れ、他方の第２の二分割型受光素子からはＢ相信号が得
られる。

【００２５】この場合、前記受光素子および光透過格子
が一定間隔で交互に配列された第１の領域と、同じく前
記受光素子および前記光透過格子が、前記第１の領域と
同一間隔で交互に配列された第２の領域とを有し、前記
第１の領域における第１および第２の二分割型受光素子
から得られる第１および第２の検出信号に対して、前記
第２の領域における第１および第２の二分割型受光素子
から得られる第３および第４の検出信号の位相が１８０
度ずれるように、相互の位置関係を決定することが望ま
しい。

【００２６】このようにすれば、Ａ相信号およびその反
転信号と、Ｂ相信号およびその反転信号が得られるの
で、これらに基づき、誤差成分の少ないエンコード出力
を得ることができる。

【００２７】一方、半導体基板上において、受光素子が
配列された領域と、光透過格子が配列された領域とが別
領域として形成されている場合には、次のようにして、
９０度位相のずれた検出信号（Ａ相信号およびＢ相信
号）を得ることができる。

【００２８】すなわち、前記第１の領域における奇数番
目に位置する第１の受光素子群から得られる検出信号に
対して、偶数番目に位置する第２の受光素子群から得ら
れる検出信号の位相が１８０度ずれるように、前記受光
素子の間隔が決定されている。この結果、第１の受光素
子群から、例えばＡ相信号が得られ、第２の受光素子群
からその反転信号が得られる。

【００２９】また、前記受光素子が一定の間隔で配列さ
れた第３の領域を形成し、当該第３の領域における奇数
番目に位置する第３の受光素子群から得られる検出信号
に対して、偶数番目に位置する第４の受光素子群から得
られる検出信号の位相が１８０度ずれるように、前記受
光素子の間隔を決定し、更に、前記第１および第３の受
光素子群から得られる検出信号の位相が９０度ずれるよ
うに、これらの受光素子群の位置関係を決定する。この
結果、第３の受光素子群からＢ相信号が得られ、第４の
受光素子群からその反転信号が得られる。

【００３０】この代わりに、前記半導体基板には、前記
受光素子が所定間隔で配列された第１の領域と、前記光
透過格子が所定間隔で配列された第２の領域と、前記受
光素子が所定間隔で配列された第３の領域とを形成し、
前記第１の領域および前記第３の領域は、前記受光素子
として第１ないし第４の受光素子を含み、これらの受光
素子を、第１、第４、第３および第２の受光素子の順序
で繰り返し配列し、隣接する受光素子の間隔を、それら
の受光素子から得られる検出信号の位相が相互に２７０
度ずれるように設定すればよい。

【００３１】この構成によれば、第１および第３の受光
素子からＡ相およびその反転信号が得られ、第２および
第４の受光素子からＢ相信号およびその反転信号が得ら
れる。

【００３２】これに加えて、光透過格子が形成された第
２の領域を挟み、第１および第３の領域を配置した場合
には、反射格子板に対する半導体基板の位置決め誤差に
起因して、反射格子板の反射格子に対して半導体基板の
受光素子が傾むいた状態になっても、受光素子から得ら
れる検出信号の位相変化等を抑制でき、精度の高い検出
が可能になる。

【００３３】なお、上記のように、Ａ相およびＢ相信号
と共に、それらの反転信号が得られる場合には、Ａ相信
号およびその反転信号から第１の差動信号を生成すると
共に、Ｂ相信号およびその反転信号から第２の差動信号
を生成する信号処理回路を用いることにより、誤差成分
の少ないＡ相およびＢ信号を生成できる。

【００３４】また、上記の各領域に対峙するように、複
数の面発光ダイオードを配置してもよいことは勿論であ
る。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を適応した光学式リニアエンコーダの実施例を説明す
る。なお、本例の光学式リニアエンコーダの全体構成は
図１に示したものと同一であるので、対応する部分には
同一の番号を付し、それらの説明を省略し、特徴部分の
みを図示および説明する。

【００３６】図４および図５は、本例の光学式リニアエ
ンコーダ１０の特徴部分である光源一体型の半導体移動
板ユニットを示す平面図および断面図であり、図６は半
導体移動板に形成されている受光素子の配置関係を示す
説明図であり、図７は光源としての面発光ダイオードを
示す平面図である。

【００３７】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の光源一体型の半導体移動板ユ
ニット１０は、シリコン基板からなるＬＥＤ保持板１１
と、このＬＥＤ保持板１１の表面に積層接着した半導体
移動板１２とを備えている。ＬＥＤ保持板１１の表面に
は一定深さの凹部１３が形成されており、ここに、２個
の面発光ダイオード１４、１５が装着されている。各面
発光ダイオード１４、１５は、図７に示すように、Ａｕ
Ｚｎ基板にＧａＡｌＡｓの発光層が形成された構造とな
っている。

【００３８】半導体移動板１２もシリコン基板から形成
されており、その裏面には、ＬＥＤ保持板１１に形成し
た凹部１３を包含する大きさの凹部１６が形成され、当
該凹部１６の底壁部分となっている薄板部分には、光透
過格子１７、１８およびホトダイオード１９、２０が交
互に形成された第１の領域２１および第２の領域２２が
作り込まれている。これらの第１および第２の領域２
１、２２に対峙するように、各面発光ダイオード１４、
１５が配置されている。

【００３９】第１の領域２１におけるホトダイオード１
９は二分割ホトダイオードであり、その一方の側がＡ相
の検出信号を得るためのホトダイオードで１９Ａとさ
れ、他方の側がＢ相の検出信号を得るためのホトダイオ
ード１９Ｂとされている。同様に、第２の領域２２にお
けるホトダイオード２０も二分割型ホトダイオード２０
Ａ、２０Ｂから構成されている。

【００４０】ここで、第１の領域２１の各二分割型ホト
ダイオード１９Ａ、１９Ｂと、第２の領域２２の側の各
二分割型ホトダイオード２０Ａ、２０Ｂとは、１／２ピ
ッチずれた位置関係にある。従って、第２の領域２２に
おける各二分割型ダイオード２０Ａ、２０Ｂからは、そ
れぞれ、Ａ相の反転信号、およびＢ相の反転信号が得ら
れる。図６には各二分割型ホトダイオードの配置関係を
示してある。

【００４１】次に、半導体移動板１２の表面には、Ａ相
信号が得られる各ホトダイオード１９Ａに接続された電
極配線層２３、Ｂ相信号が得られる各ホトダイオード１
９Ｂに接続されて電極配線層２４、Ａ相の反転信号が得
られる各ホトダイオード２０Ａに接続された電極配線層
２５、Ｂ相の反転信号が得られる各ホトダイオード２０
Ｂに接続されて電極配線層２６が形成されている。

【００４２】また、図５に示すように、ＬＥＤ保持板１
１の裏面には、シリコン製のスペーサ２７を介してＩＣ
チップ２８が搭載されている。このＩＣチップ２８に
は、面発光ダイオードのドライバ回路、受光素子からの
検出信号を処理する信号処理回路等を集積化されてい
る。

【００４３】（受光素子および光透過格子の別の配列
例）図８には、半導体移動板に形成される縦縞状の光透
過用格子およびホトダイオードの別の配列例を示してあ
り、いずれも、光透過用格子とホトダイオードが交互に
配列されている例である。

【００４４】図８（ａ）に示す例では、半導体基板３Ａ
に、縦縞状の光透過用格子および縦縞状のホトダイオー
ドが交互に形成された４つの領域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のホトダーオー
ド群から得られる検出信号に対して位相が９０度ずれる
ように、領域３０２のホトダイオード群の位置が決定さ
れ、当該ホトダイオード群からはＢ相信号が得られる。

【００４５】また、領域３０１の下側の位置している領
域３０３のホトダイオード群は、領域３０１のホトダイ
オード群から得られる検出信号に対して位相が１８０度
ずれた検出信号が得られるように、当該ホトダイオード
群の位置が決定されている。従って、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る。同様
に、当該領域３０３の横方に位置している領域３０４の
ホトダイオード群からはＢ相の反転信号が得られるよう
に、その配置が規定されている。

【００４６】図８（ｂ）に示す例では、半導体基板３Ｂ
に、当該基板の移動方向に直交する方向に４列の領域４
０１〜４０４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、ホトダイオ
ードの検出信号の位相が９０度ずれるような配置関係と
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、ホトダイオードの検出信号の
位相が１８０度ずれるような配置関係とされている。さ
らに、領域４０４は領域４０２に対して、ホトダイオー
ドの検出信号の位相が１８０度ずれるような配置関係と
されている。

【００４７】この結果、領域４０１のホトダイオード群
からは例えば、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４０
４のホトダイオード群からはＢ相の反転信号が得られ
る。

【００４８】図８（ｃ）、（ｄ）に示す例では、半導体
基板３Ｃに、その移動方向（横方向）に沿って一定の間
隔で複数の領域、図においては３つの領域５０１〜５０
３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。

【００４９】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、その幅内に、図８（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。また、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。

【００５０】この配列を採用した場合においては、例え
ば、各領域における左端のホトダイオードからＡ相信号
が得られ、その右側のホトダイオードからＢ相信号が得
られ、さらに右側のホトダイオードからＡ相の反転信号
が得られ、右端のホトダイオードからＢ相の反転信号が
得られる。

【００５１】次に、図９、図１０には、半導体基板表面
に、ホトダイオードが一定間隔で配列された領域と、光
透過格子が一定間隔で配列された領域とが別個に形成さ
れている配列例を示してある。

【００５２】この図に示すように、半導体基板４１０の
表面には、その中央に、一定間隔で光透過格子４２０が
一定間隔で半導体基板移動方向に配列されている領域４
３０が形成されており、この領域４３０を挟み、上下対
称な状態で、ホトダイオードが一定間隔で配列された領
域４４０および４５０が形成されている。

【００５３】領域４４０において、奇数番目に位置する
ホトダイオード４４１と偶数番目に位置するホトダイオ
ード４４２は、検出信号の位相が１８０度ずれるような
間隔で配列されている。領域４５０においても、同様
に、奇数番目に位置するホトダイオード４５１と偶数番
目に位置するホトダイオード４５２は、領域４４０にお
ける場合と同一の間隔で配列されているので、それらの
検出信号の位相が１８０度ずれるようになっている。さ
らに、領域４４０のホトダイオード群４４１と領域４５
０のホトダイオード群４５１とは、１／４ピッチずれた
関係となっている。従って、領域４４０のホトダイオー
ド群４４１からＡ相信号が得られるとすると、同一領域
４４０のホトダイオード群４４２からはＡ相の反転信号
が得られる。また、領域４５０のホトダイオード群４５
１からはＢ相信号が得られ、ホトダイオード群４５２か
らはＢ相の反転信号が得られる。図１０には、各ホトダ
イオードの配置例を示してある。

【００５４】なお、本例においても、半導体基板４１０
の表面上には、Ａ相信号が得られる各ホトダイオード４
４１に接続された電極配線層４６１、Ｂ相信号が得られ
る各ホトダイオード４５１に接続された電極配線層４６
２、Ａ相の反転信号が得られる各ホトダイオード４４２
に接続された電極配線層４６３、Ｂ相の反転信号が得ら
れる各ホトダイオード４５２に接続された電極配線層４
６４が形成されている。

【００５５】また、図９（ｃ）に示すように、半導体基
板４１０の裏面に、表面に凹部４９１が形成された半導
体基板４９０を貼り付け、この半導体基板の凹部４９１
の底面に、面発光レーザやＬＥＤ等の発光源４９２を配
置した構成を採用すれば、発光源が一体化されたコンパ
クトな検出機構を構成できる。

【００５６】ここで、図９に示す構造の半導体基板４１
０を用いた場合には、反射格子が形成されている固定格
子板に対する当該半導体基板４１０の位置決めを精度よ
く行う必要がある。すなわち、図１１（ａ）に示すよう
に、固定格子板４Ａに対して、半導体基板４１０が矢印
ＡあるいはＢで示す方向に傾いた状態で位置決めされる
と、固定格子板４Ａの反射格子４ｂと、半導体基板４１
０の光透過格子４２０、受光素子４４１，４４２，４５
１，４５２とが相互に傾いた状態になる。図９（ｂ）に
は矢印Ａの方向に傾いた状態を示してある。

【００５７】この場合、本発明者等の実験によれば、
０．１５度程度の微小な傾斜角でも、各受光素子から得
られる検出信号の位相ずれが約４５度にもなることが確
認された。また、例えば矢印Ｂの方向に傾いた場合、角
度変化が０．５度程度の場合でも、Ａ相およびＢ相の検
出信号の出力差が約０．２Ｖ（基準値の出力である１Ｖ
に対して約２０％）にもなることが確認された。したが
って、固定格子板４Ａに対して半導体基板４１０を位置
決めして取り付けた後に、実際の検出信号を測定して、
信号レベルの調整などを行う必要がある。

【００５８】このような固定格子板に対する半導体基板
４１０の位置決め誤差に起因する受光素子検出信号の変
動を回避するためには、次にような構成を採用すること
が望ましい。

【００５９】すなわち、図９の場合と同様に、半導体基
板４１０の表面に、その中央に、一定間隔で光透過格子
４２０が一定間隔で半導体基板移動方向に配列されてい
る領域４３０を形成し、この領域４３０を挟み、上下対
称な状態で、ホトダイオードが一定間隔で配列された領
域４４０および４５０を形成する。しかるに、各領域４
４０、４５０では、次のように各相の検出信号を出力す
るホトダイオードを配列する。

【００６０】図１２に示すように、領域４４０では、隣
接するホトダイオード間における検出信号の位相が２７
０度ずれるように、３／４ピッチで各ホトダイオード４
７１、４８２、４７２、４８１を配列する。この結果、
ホトダイオード４７１と４７２は（１＋１／２）ピッチ
で配列されているので、一方から得られる検出信号をＡ
相信号とすると、他方からはＡ相の反転信号が得られ
る。また、ホトダイオード４８１はホトダイオード４７
１から得られるＡ相信号に対して９０度位相のずれたＢ
相信号が得られる。よって、もうひとつのホトダイオー
ド４８２からはＢ相の反転信号が得られる。なお、他方
の領域４５０においても、同一の受光素子配列を採用し
ている。

【００６１】このように光透過格子４２０が形成されて
いる領域４３０を挟む上下の領域４４０、４５０に、Ａ
相信号、Ｂ相の反転信号、Ａ相の反転信号、およびＢ相
信号が得られるように等ピッチで受光素子を配列する
と、固定格子板と半導体基板の位置決め誤差に起因する
検出信号の位相および電圧の変動を抑制できることが確
認された。よって、かかる構成を採用すれば、精度のよ
い検出を行うことが可能になる。また、この受光素子配
列では、受光素子間のピッチが広くなるので、各素子間
の絶縁を取り易いという副次的な利点も得られる。

【００６２】（Ｓ／Ｎ比の改善方法）ここで、上記の図
４ないし図１２に示す例において、得られたＡ相信号と
その反転信号の差動信号を得ることにより、誤差の少な
いＡ相信号を生成することができる。同様に、得られた
Ｂ相信号とその反転信号の差動信号を得ることにより、
誤差の少ないＢ相信号を生成することができる。このよ
うな差動信号を用いることにより、光学式エンコーダの
Ｓ／Ｎ比を改善できる。

【００６３】次に、別のＳ／Ｎ比改善方法を以下に述べ
る。上記の半導体移動板に形成されたホトダイオード
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
回避すればＳ／Ｎ比を改善できる。そのためには次のよ
うにすればよい。

【００６４】図１３を参照して、図１、２に示す半導体
基板３を例に挙げて説明すると、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。

【００６５】（光透過部分の形成方法）次に、光透過格
子を半導体基板に形成するためには、半導体基板表面を
ドライエッチングすればよい。ドライエッチングを採用
すると、基板表面を垂直に彫り込むことができる。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るので、図１４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。

【００６６】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。

【００６７】（その他の実施の形態）なお、上記の各例
においては、半導体移動板の光透過型移動格子は、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。

【００６８】また、図１５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。

【００６９】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。

【００７０】また、上記の例では光源としてＬＥＤを用
いているが、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。

【００７１】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。

【００７２】

【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。これに加えて、光源として面発光ダイオ
ードを用いると共に、これを移動格子の背面側に一体化
した集積構造を採用している。

【００７３】従って、本発明の光学式エンコーダによれ
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、また、光源を独立した状態で配置す
る必要もない。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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】これに加えて、光源として面発光ダイオー
ドを使用しているので、点光源を用いる場合のような光
軸合わせが不要となり、また、移動格子に近接配置して
も、受光素子での有効受光面積が少なくなる等の弊害を
防止でき、充分な受光量を確保できる。よって、精度の
高い検出を期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は、３枚格子の理論に基づく光
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】従来における問題点を説明するための説明図で
ある。

【図４】本発明を適用した光学式エンコーダにおける光
源一体型半導体移動板ユニットを示す平面図である。

【図５】図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線で切断した部分を示す
断面図である。

【図６】図４の半導体移動板に形成されている受光素子
の配置関係を示す説明図である。

【図７】図４の面発光ダイオードの平面図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は、光透過格子およびホトダイ
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９】半導体基板表面に形成される光透過格子および
ホトダイオードの配列例を示す図であり、（ａ）はその
平面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその一部を拡大
して示す拡大部分平面図である。

【図１０】図９における分割型ホトダイオードの配置例
を示す説明図である。

【図１１】図９のホトダイオードの配列例における問題
点を示すための説明図である。

【図１２】図９のホトダイオードの配列例に起因する問
題を解決したホトダイオードの配列例を示すための説明
図である。

【図１３】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１４】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。

【図１５】半導体移動板の別の例を示す断面図である。

【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 １０ 光源一体型半導体移動板ユニット １１ ＬＥＤ保持板 １２ 半導体移動板 １３ 凹部 １４、１５ 面発光ダイオード １６ 凹部 １７、１８ 光透過格子 １９、２０ ホトダイオード ２１ 第１の領域 ２２ 第２の領域 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 ３１０、４１０ 半導体基板 ３２０、３５０、４２０ 光透過格子 ３３０、３５０ 二分割型ホトダイオード ４４１、４４２、４５１、４５２、４７１、４７２、４
８１、４８２ ホトダイオード ３４０、３７０ 光透過格子およびホトダイオードが交
互に配列された領域 ４４０、４５０ ホトダイオードが一定間隔で配列され
た領域 ４３０ 光透過格子が一定間隔で交互に配列された領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F103 BA00 BA31 BA43 CA01 CA02 CA03 CA06 DA01 DA12 DA13 EA19 EA21 EA22 EB06 EB07 EB12 EB16 EB32 EB36 EB37 ED02 FA12 GA03

Claims (11)

【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ている反射格子板と、
   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、 前記光透過格子および前記受光素子が作り込まれた共通
   の半導体基板と、 前記光源としての面発光ダイオードとを有し、 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、前記移動格子板および前記反射格子板の相対
   移動方向および速度を検出するようになっており、 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。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記面発光ダイオードを保持している保持基板を有し、 この保持基板は表面に前記面発光ダイオードが装着され
   た凹部を備えており、 この保持基板の表面に前記半導体基板が積層接着されて
   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
   交互に配列された第１の領域と、前記受光素子と前記光
   透過格子が交互に配列された第２の領域とが形成されて
   おり、 前記第１の領域の前記受光素子から得られる第１の検出
   信号が、前記第２の領域の前記受光素子から得られる第
   ２の検出信号に対して９０度位相がずれるように、前記
   第１の領域の受光素子と前記第２の領域の受光素子との
   位置関係が設定されていることを特徴とする光学式エン
   コーダ。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記受光素子と前記光透過格子が交互に配列された第３
   の領域と、前記受光素子と前記光透過格子が交互に配列
   された第４の領域とを備えており、 前記第３の領域の前記受光素子から得られる第３の検出
   信号が、前記第１の領域の前記受光素子から得られる第
   １の検出信号に対して１８０度位相がずれるように、前
   記３の領域の受光素子の位置が設定されており、 前記第４の領域の前記受光素子から得られる第４の検出
   信号が、前記第２の領域の前記受光素子から得られる第
   ３の検出信号に対して１８０度位相がずれるように、前
   記４の領域の受光素子の位置が設定されていることを特
   徴とする光学式エンコーダ。
5. 【請求項５】 請求項２において、 前記受光素子のそれぞれは、所定間隔で配列された二分
   割型受光素子であり、一方の第１の二分割型受光素子か
   ら得られる第１の検出信号が、他方の第２の二分割型受
   光素子から得られる第２の検出信号に対して９０度位相
   がずれるように、これらの二分割型受光素子の間隔が決
   定されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記受光素子および光透過格子が一定間隔で交互に配列
   された第１の領域と、同じく前記受光素子および前記光
   透過格子が、前記第１の領域と同一間隔で交互に配列さ
   れた第２の領域とを有し、 前記第１の領域における第１および第２の二分割型受光
   素子から得られる第１および第２の検出信号に対して、
   前記第２の領域における第１および第２の二分割型受光
   素子から得られる第３および第４の検出信号の位相がそ
   れぞれ１８０度ずれるように、相互の位置関係が決定さ
   れていることを特徴とする光学式エンコーダ。
7. 【請求項７】 請求項３において、 前記第１の領域における奇数番目に位置する第１の受光
   素子群から得られる第１の検出信号に対して、偶数番目
   に位置する第２の受光素子群から得られる第３の検出信
   号の位相が１８０度ずれるように、前記受光素子の間隔
   が設定されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
8. 【請求項８】 請求項７において、 前記受光素子が一定の間隔で配列された第３の領域を備
   えており、 当該第３の領域における奇数番目に位置する第３の受光
   素子群から得られる第２の検出信号に対して、偶数番目
   に位置する第４の受光素子群から得られる第４の検出信
   号の位相が１８０度ずれるように、前記受光素子の間隔
   が設定されており、 前記第１および第３の受光素子から得られる第１および
   第２の検出信号の位相が９０度ずれるように、これらの
   受光素子群の位置関係が設定されていることを特徴とす
   る光学式エンコーダ。
9. 【請求項９】 請求項２において、 前記半導体基板には、前記受光素子が所定間隔で配列さ
   れた第１の領域と、前記光透過格子が所定間隔で配列さ
   れた第２の領域と、前記受光素子が所定間隔で配列され
   た第３の領域とが形成されており、 前記第１の領域および前記第３の領域は、前記受光素子
   として第１ないし第４の受光素子を含み、これらの受光
   素子が、第１、第４、第３および第２の受光素子の順序
   で繰り返し配列されており、隣接する受光素子の間隔
   は、それらの受光素子から得られる検出信号の位相が相
   互に２７０度ずれるように設定されていることを特徴と
   する光学式エンコーダ。
10. 【請求項１０】 請求項４、６、８または９において、 前記第１および第３の検出信号に基づき、第１の差動信
    号を生成すると共に、前記第２および第４の検出信号に
    基づき、第２の差動信号を生成する信号処理回路を有し
    ていることを特徴とする光学式エンコーダ。
11. 【請求項１１】 請求項３、５または６において、 前記面発光ダイオードは、前記第１の領域の対峙した位
    置に配置されている第１の面発光ダイオードと、前記第
    ２の領域に対峙した位置に配置されている第２の面発光
    ダイオードとを含むことを特徴とする光学式エンコー
    ダ。