JP2004212320A

JP2004212320A - Photoelectric type encoder

Info

Publication number: JP2004212320A
Application number: JP2003001924A
Authority: JP
Inventors: Toru Yaku; 亨夜久
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-29

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric type encoder whose accuracy of measurement is adjustable. SOLUTION: In a light sensing portion 9 of the photoelectric type encoder, a light-receiving array 27 and a selectable light-receiving array 29 are arranged. Each array is composed of a plurality of photodiodes D. When the selectable array 29 is used besides the light-receiving array 27 for displacement measurement, the selectable array 29 is connected to an operation part 33 by turning on a first switching portion 35. When the selectable light-receiving array is not used, on the other hand, the selectable array 29 is cut off from the operation part 33 by turning off the switching portion 35. COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光電式エンコーダが利用されている。光電式エンコーダには様々なタイプがあり、例えば、発光器と、発光器からの光が照射される光学格子が形成されたスケールと、スケールに対して移動可能に対向配置されると共に複数のフォトダイオードがアレイ状に配置された受光器と、を含んで構成されたタイプがある（例えば、特許文献１参照）。このタイプでは、スケールの光学格子を透過した発光器からの光を受光器で受光し、光電変換されて発生した電気信号を利用して直線などの変位量を演算する。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−５７１２０号公報（第３頁の第１の実施例、図１、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光電式エンコーダによる精密測定にも程度があり、どのような測定でも一律同じ精度である必要はなく、状況に応じて精度を変えることができれば便利である。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、測定精度を変えることができる光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光電式エンコーダは、複数の受光素子がアレイ状に並べられてそれぞれ構成される受光アレイおよび選択受光アレイを含むと共に選択受光アレイが受光アレイに隣接して配置されている受光部と、受光アレイおよび選択受光アレイからの信号が入力可能な増幅器と、選択受光アレイと増幅器との接続および切り離しの制御をするスイッチング手段と、受光部とギャップを設けて相対移動可能に配置されると共に光学格子を含むスケールと、スケールに照射する光を生成する光源部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る光電式エンコーダによれば、スイッチング手段によって、増幅器との接続および切り離しができる選択受光アレイを設けている。このため、変位の測定に選択受光アレイを利用するか否かの選択ができるので、受光部の有効受光面積を可変にすることができる。受光部の有効受光面積が大きくなると、平均化効果により測定精度が向上する。一方、受光部の有効受光面積を小さくすると、測定精度は低下するが、光電式エンコーダの低消費電力化を図れる。よって、本発明によれば、選択受光アレイを利用するか否かの選択により、光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。
【０００８】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、選択受光アレイと増幅器とが切り離されている場合にオンすることにより選択受光アレイが固定電位源に接続されるようにすると共に選択受光アレイと増幅器とが接続されている場合にオフする他のスイッチング手段をさらに備えるようにすることができる。
【０００９】
これによれば、変位の測定に選択受光アレイを利用しない場合、他のスイッチング手段がオンすることにより、選択受光アレイを固定電位源に接続している。よって、選択受光アレイを変位の測定に利用しない場合、選択受光アレイの回路は閉回路となる。このため、変位の測定中、選択受光アレイに外部から何らかの光が入射して電流が発生しても、この電流は上記閉回路に流れ、スイッチング手段に流れるのを防止できる。したがって、リーク電流がスイッチング手段を通り増幅器に流れることを防止できるので、変位を正確に測定できる。
【００１０】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、他のスイッチング手段は、並列接続された第１導電型と第２導電型の電界効果トランジスタを含むようにすることができる。
【００１１】
上記の通り、本発明によれば、選択受光アレイを利用しない場合、選択受光アレイの回路は閉回路になっている。したがって、スイッチング手段が、並列接続された第１導電型と第２導電型の電界効果トランジスタを含む構造であっても、リーク電流がスイッチング手段を通り増幅器に流れることを防止できるので、変位を正確に測定できる。
【００１２】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、固定電位源の電圧はアナログ基準電圧にすることができる。
【００１３】
これによれば、変位の測定に選択受光アレイを利用しない場合、選択受光アレイの各受光素子に印加される逆バイアス電圧を、受光アレイの各受光素子に印加されるそれと同じにすることができる。したがって、測定中に各受光素子に形成される空乏層の大きさを、受光アレイと選択受光アレイとで同じにできるので、精密な測定を実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態に係る光電式エンコーダについて説明する。図１は第１実施形態に係る光電式エンコーダ１の概略構成を示す図である。光電式エンコーダ１によれば、第１スイッチング部３５（スイッチング手段の一例）により選択受光アレイ２９を変位の測定に利用するか否かの選択ができるので、光電式エンコーダ１の測定精度を変えることができる。まず、光電式エンコーダ１の構成を説明する。
【００１５】
光電式エンコーダ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）３と、これに近い順に沿って配置されたインデックススケール５、スケール７、受光部９とにより構成される。光電式エンコーダ１はリニヤ（一次元）型であるが、本発明は二次元型にも適用できる。
【００１６】
発光ダイオード３およびインデックススケール５により光源部１１が構成される。光源部１１で生成された光がスケール７に照射される。発光ダイオード３は光を放射する発光素子の一例であり、このダイオード３からの光Ｌが照射される位置には、インデックススケール５が配置されている。インデックススケール５は長尺状の透明基板１３を含み、この基板１３の発光ダイオード３側に向く面と反対側の面上に光学格子１５が形成されている。光学格子１５は複数の遮光部１７が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各遮光部１７が図面の奥行き方向に延びるように、配置されたものである。遮光部１７は金属などから構成される。なお、光源部がインデックススケール５を含まない場合でも本発明を適用することができる。
【００１７】
インデックススケール５の光学格子１５側には、インデックススケール５と所定のギャップを設けてスケール７が位置している。スケール７はインデックススケール５よりも長手方向の寸法が大きく、図１にはその一部が表れている。スケール７はガラスなどの透明材料から構成される長尺状の透明基板１９を含む。透明基板１９の一方の面がインデックススケール５の光学格子１５と対向している。透明基板１９の他方の面上には、金属などからなる複数の遮光部２１が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各遮光部２１が図面の奥行き方向に延びるように、形成されている。これにより光学格子２３が構成される。
【００１８】
受光部９は、１６個のフォトダイオードＤ（受光素子の一例）が所定のピッチを設けてリニヤ状（アレイ状の一例）に、かつ各フォトダイオードが図面の奥行き方向に延びるように、ガラスなどの透明基板２５に配置されたものである。フォトダイオードＤの受光面が光学格子２３側に向くように、スケール７と所定のギャップを設けて受光部９が位置している。フォトダイオードＤのピッチが例えば１５μｍの場合、スケール７の光学格子２３のピッチは例えば２０μｍである。なお、フォトダイオードＤの個数は１６個に限定されず、１６個より少なくてもよいし（例えば８個）、多くてもよい（例えば９６個）。受光素子として、フォトダイオードの替わりにフォトトランジスタを用いることもできる。
【００１９】
１６個のフォトダイオードＤのうち、前半の８個のフォトダイオードＤにより受光アレイ２７が構成され、後半の８個のフォトダイオードＤにより選択受光アレイ２９が構成されている。選択受光アレイ２９は受光アレイ２７に隣接して配置されている。
【００２０】
受光アレイ２７および選択受光アレイ２９のフォトダイオードＤで検出された信号は、受光部９のフォトダイオードＤが形成されている側の面３１に配置された演算部３３に送られて、変位量の演算が実行される。演算部３３はＩＣチップにより構成される。面３１には第１スイッチング部３５（スイッチング手段の一例）が配置されており、これにより、選択受光アレイ２９を構成する８個のフォトダイオードＤと演算部３３の増幅器との接続および切り離しの制御がされる。
【００２１】
受光部９は、光源部１１と共に一つのホルダ（図示せず）に取り付けられており、このホルダは図中のＸで示すスケール７の長手方向に移動可能にされている。つまり、光電式エンコーダ１は、固定されたスケール７に対して、上記ホルダを移動させることにより、変位量を測定する。なお、光源部１１と受光部９を固定し、スケール７を移動させて変位量を測定するタイプにも、本発明を適用することができる。したがって、本発明のスケールは、受光部および光源部に対して、相対移動可能に配置されている。
【００２２】
図２は、受光部９に配置された回路のうち、第１実施形態に関連する部分の回路図である。第１スイッチング部３５は、Ｎ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＮＴ１〜ＮＴ４により構成される。演算部３３は、増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２および加算器Ｇａ３，Ｇｂ３を含む。
【００２３】
各フォトダイオードＤのカソードＫは電源（例えば５Ｖ）と接続されている。受光アレイ２７の各フォトダイオードＤのアノードＡは、対応する増幅器の反転入力端子と接続されている。また、選択受光アレイ２９の各フォトダイオードＤのアノードＡは、対応するトランジスタＮＴを介して対応する増幅器の反転入力端子と接続されている。増幅器の非反転入力端子には、アナログ基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば２．５Ｖ）が印加されている。これらの増幅器には、増幅度を正確にするために抵抗Ｒ１を介して負帰還がかけられている。
【００２４】
増幅器Ｇａ１，Ｇａ２の出力端子は、それぞれ、抵抗Ｒ２を介して、加算器Ｇａ３の反転入力端子、非反転入力端子とそれぞれ接続されている。加算器Ｇａ３の非反転入力端子には、抵抗Ｒ３を介してアナログ基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば２．５Ｖ）が印加されている。また、加算器Ｇａ３は増幅度を正確にするために、抵抗Ｒ４を介して負帰還がかけられている。一方、増幅器Ｇｂ１，Ｇｂ２の出力端子は、それぞれ、抵抗Ｒ２を介して、加算器Ｇｂ３の反転入力端子、非反転入力端子とそれぞれ接続されている。
【００２５】
次に、光電式エンコーダ１の測定動作について、選択受光アレイ２９を測定に利用しない場合を例に図１および図２を用いて説明する。まず、ゲート線ＧＬの電圧を「Ｌ」にすることにより、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ４をオフする。これにより、選択受光アレイ２９は、増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２から切り離されるので、選択受光アレイ２９は測定に利用されない。
【００２６】
次に、発光ダイオード３から光Ｌをインデックススケール５に照射して変調させ、その変調光をスケール７に照射すると、インデックススケール５の光学格子１５とスケール７の光学格子２３との重なりにより明暗パターンが生じる。そして、受光部９および光源部１１をＸで示す方向に移動させることにより生じる明暗パターンの変化を、受光アレイ２７の各フォトダイオードＤで検出する。
【００２７】
これにより、正弦波状の信号が受光アレイ２７の各フォトダイオードＤから出力される。詳しくは、フォトダイオードには、Ａ相（０^０）の信号を出力するもの、Ａ相より９０^０位相がずれたＢ相（９０^０）の信号を出力するもの、Ａ相より１８０^０位相がずれた／Ａ相（１８０^０）の信号を出力するもの、およびＡ相より２７０^０位相がずれた／Ｂ相（２７０^０）の信号を出力するものがある。
【００２８】
Ａ相やＢ相の信号以外にこれらを反転させた、／Ａ相や／Ｂ相の信号を生成しているのは、Ａ相やＢ相の信号に含まれる直流成分の除去、並びに、信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。また、Ａ相およびＢ相を変位量の測定に利用するのは、受光部９および光源部１１の移動方向の判断のためであるので、原理的には、Ａ相のみで変位量の測定が可能である。したがって、本発明は、Ａ相およびＢ相の信号を利用しかつ／Ａ相および／Ｂ相の信号を利用しない光電子エンコーダやＡ相の信号のみを利用する光電式エンコーダにも、適用することができる。
【００２９】
上記四つの信号は演算部３３に送られる。演算部３３では、Ａ相およびＢ相に所定の処理（直流成分の除去等）をした後に、処理されたＡ相およびＢ相を基にして変位量が演算される。詳細に説明すると、Ａ相の信号、Ｂ相の信号、／Ａ相の信号、／Ｂ相の信号は、それぞれ、増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２の反転入力端子を介して増幅器に入力して増幅される。増幅されたＡ相の信号、／Ａ相の信号は、加算器Ｇａ３の反転入力端子、非反転入力端子にそれぞれ入力する。これにより、加算器Ｇａ３からは、直流成分が除去された正弦波状のＡ相の信号が生成される。増幅されたＢ相の信号、／Ｂ相の信号も、同様の処理がなされて、加算器Ｇｂ３からは、直流成分が除去された正弦波状のＢ相の信号が生成される。そして、処理されたＡ相およびＢ相の基にして、演算部３３で直線などの変位量を演算し、その数値を図示しない表示部に出力する。以上のように、通常の測定では選択受光アレイ２９を利用しないことにより、光電式エンコーダ１の低消費電力化を図れる。
【００３０】
一方、より精密な測定をする場合、受光アレイ２７の他に選択受光アレイ２９も利用する。つまり、ゲート線ＧＬの電圧を「Ｈ」にすることにより、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ４をオンし、選択受光アレイ２９を増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２に接続する。これにより、スケール７に照射された光のうち、選択受光アレイ２９に入射した成分により生成される信号も、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ４を通り演算部３３に送られ、変位の演算に利用される。したがって、変位の測定に受光アレイ２７の他に選択受光アレイ２９も使われるので、受光部９の有効受光面積を大きくすることができる。よって、平均化効果により、測定精度が向上するので、より精密な測定を実現できる。
【００３１】
以上説明したように、第１実施形態に係る光電式エンコーダ１によれば、選択受光アレイ２９を利用するか否かの選択により、光電式エンコーダ１の測定精度を変えることができる。
【００３２】
また、第１実施形態によれば、次の効果も生じる。光源部１１に取り付ける発光素子（第１実施形態では発光ダイオード３）に応じて、光の照射範囲は異なる。よって、光の照射範囲に応じて、選択受光アレイ２９を利用するか否かを決定する。つまり、照射範囲が狭い場合は選択受光アレイ２９を利用せず、照射範囲が広い場合は選択受光アレイ２９を利用するのである。したがって、第１実施形態によれば、光源部１１に取り付ける発光素子の選択範囲を広げることができる。
【００３３】
ところで、本発明のように構成しなくても、有効受光面積が異なる複数の受光部を用意し、測定精度に応じて最適な受光部を選択するようにすれば、本発明と同様な効果を達成できる。しかし、受光部は半導体デバイスなので、有効受光面積が異なる複数の受光部を作製するためには、それに応じてマスクも用意しなければならず、製造コストが上昇する。本発明によれば、このようなコスト上昇は生じない。
【００３４】
また、受光部の有効受光面積を可変とするのは、本発明以外に次のようにしても実現できる。有効受光面積が広い受光部を作製し、有効受光面積を小さくしたい場合は、アパーチャー等で光の照射範囲を制限するのである。これを図２などで示すようなフォトダイオードからの電流をオペアンプで増幅するタイプに適用した場合について考える。この場合、有効受光面積を小さくして測定しても、光が照射されていないフォトダイオードは依然として演算部３３のオペアンプと接続されている。このため、有効受光面積が小さくなることにより、光電流が小さくなっているにも関わらず、オペアンプに接続されているフォトダイオードの接合容量は変わらないことになる。上記タイプの回路ではノイズゲインがフォトダイオードの接合容量で決まるため、接合容量が変わらないということはノイズレベルも変わらないことであり、したがって信号雑音比が悪化することになる。本発明によれば、選択受光アレイ２９を利用しない場合、選択受光アレイ２９を演算部３３から切り離している。よって、その分だけ接合容量が小さくなることにより、ノイズゲインが小さくなるので、信号雑音比が悪化することはない。
【００３５】
次に、第２実施形態を第１実施形態との相違を中心にして説明する。図３は第２実施形態に係る光電式エンコーダの受光部に配置された回路であり、第２実施形態に関連する部分の回路図である。図３は図２と対応しており、図２中の符号が示すものと同一のものについては同一符号を付すことにより、その説明を省略する。第２実施形態では、第１スイッチング部３５（スイッチング手段の一例）を伝送ゲートＴＧ１〜ＴＧ４で構成しており、そのため第２スイッチング部３７（他のスイッチング手段の一例）を追加している。以下、詳細に説明する。
【００３６】
本発明者によれば、図３の第１スイッチング部３５をＰ型のＭＯＳ電界効果トランジスタで構成した場合、第１スイッチング部３５がオフでも（選択受光アレイ２９が増幅器Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２から切り離されていても）、リーク電流が増幅器に流れることが分かった。これを図４で説明する。図４は増幅器Ｇａ１並びにこれと対応する第１スイッチング部３５（Ｐ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＰＴ）および選択受光アレイ２９を示す図である。
【００３７】
ゲート線ＧＬの電位は「Ｈ」（例えば５Ｖ）に設定されているので、トランジスタＰＴはオフとなり、選択受光アレイ２９は増幅器Ｇａ１から切り離され、選択受光アレイ２９を含む回路は開回路となる。この状態で、選択受光アレイ２９に、外部から何らかの光Ｌが入射すると、光Ｌが入射したフォトダイオードに光電圧が発生する。
【００３８】
カソードＫは電源に接続されているので、上記光電圧によりアノードＡの電圧が電源電圧より少し高くなることがある。例えば、電源電圧が５Ｖの場合、アノードＡの電圧が約５．６Ｖとなる。このため、アノードＡと接続されているＰ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＰＴのソースの電圧は約５．６Ｖとなり、ゲート電圧（５Ｖ）よりも高くなる。よって、ゲート−ソース電圧がトランジスタＰＴの閾値電圧に近づくので、トランジスタＰＴのゲートが不完全なオフ状態となる。この結果、上記光電圧によるリーク電流ＩがトランジスタＰＴを通り、増幅器Ｇａ１に流れ込むので、これが変位の正確な測定の妨げとなる。
【００３９】
トランジスタＰＴの替わりに、図５に示すように、Ｎ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＮＴにすれば、リーク電流Ｉが増幅器Ｇａ１に流れ込むことを防止できる。つまり、アノードＡの電圧が５．６Ｖに上昇すると、ゲート−ソース電圧はトランジスタＮＴの閾値電圧からさらに離れ、トランジスタＮＴは完全なオフ状態を維持するのである。なお、フォトダイオードのアノードＡとカソードＫを逆にした場合、つまり、アノードＡを電源と接続し、カソードＫをトランジスタＰＴ，ＮＴと接続した場合、詳細な説明は省略するが、今度は、Ｎ型のトランジスタでリーク電流の問題が生じる。
【００４０】
ここで、トランジスタＰＴやトランジスタＮＴの替りに、図６に示すように、伝送ゲートＴＧ、つまり、Ｎ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＮＴとＰ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＰＴとが並列接続されたスイッチにした場合、リーク電流ＩはトランジスタＮＴに流れないが、トランジスタＰＴに流れることになる。したがって、リーク電流の問題を避けることができない。
【００４１】
伝送ゲートＴＧは、アナログスイッチまたはトランスミッションゲートともいう。伝送ゲートＴＧの動作について簡単に説明する。ゲート線ＧＬの電位を「Ｌ」にすると、トランジスタＮＴのゲートに「Ｌ」レベルの電圧が印加されると共にトランジスタＰＴのゲートにインバータＩＶで反転された「Ｈ」レベルの電圧が印加される。これにより、トランジスタＰＴおよびトランジスタＮＴの両方が同時にオフとなるので、伝送ゲートＴＧが電流を流さない状態、つまりオフとなる。
【００４２】
これに対して、ゲート線ＧＬの電位を「Ｈ」にすると、トランジスタＮＴのゲートに「Ｈ」レベルの電圧が印加されると共にトランジスタＰＴのゲートにインバータＩＶで反転された「Ｌ」レベルの電圧が印加されるので、トランジスタＰＴおよびトランジスタＮＴの両方が同時にオンとなる。この結果、伝送ゲートＴＧは電流を流すことが可能な状態、つまりオンとなる。
【００４３】
さて、図３に示すように、第２実施形態では、第１スイッチング部３５を伝送ゲートＴＧ１〜ＴＧ４により構成している。各伝送ゲートにより、フォトダイオードＤのアノードＡと増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２の反転入力端子との接続および切り離しの制御が実行される。
【００４４】
上記リーク電流を防止するために、第２実施形態では第２スイッチング部３７（他のスイッチング手段の一例）を追加している。第２スイッチング部３７は、Ｎ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＮＴ５〜ＮＴ８により構成される。トランジスタＮＴ５〜ＮＴ８の一方のソース／ドレインは、それぞれ、選択受光アレイ２９の対応するフォトダイオードＤのアノードＡと接続されており、他方のソース／ドレインはアナログ基準電圧Ｖｒｅｆ（固定電位源の一例であり、例えば２．５Ｖ）が印加されている。また、トランジスタＮＴ５〜ＮＴ８のゲートは、インバータＩＶを介してゲート線ＧＬに接続されている。
【００４５】
第２実施形態の動作について図３を用いて説明する。まず、通常の測定では、ゲート線ＧＬの電位は「Ｌ」にされる。これにより、第１スイッチング部３５（伝送ゲートＴＧ１〜ＴＧ４）がオフすると共に第２スイッチング部３７（トランジスタＮＴ５〜ＮＴ８）がオンする。第１スイッチング部３５がオフすることにより、選択受光アレイ２９は増幅器から切り離される。第２スイッチング部３７がオンすることにより、選択受光アレイ２９の各フォトダイオードＤのアノードＡに第２スイッチング部３７を介してアナログ基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。言い換えれば、選択受光アレイ２９が固定電位源に接続される。これにより、選択受光アレイ２９を含む回路が閉回路になる。よって、通常の測定時、選択受光アレイ２９に外部から何らかの光が入射して電流が発生しても、この電流は上記閉回路に流れ、第１スイッチング部３５に流れるのを防止できる。したがって、第１スイッチング部３５からのリーク電流が増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２や加算器Ｇａ３，Ｇｂ３に流れることを防止できるので、変位を正確に測定できる。
【００４６】
一方、より精密な測定をする場合、ゲート線ＧＬの電位を「Ｈ」にするので、第１スイッチング部３５がオンすると共に第２スイッチング部３７がオフする。第１スイッチング部３５がオンするので、選択受光アレイ２９が対応する増幅器に接続される。この結果、選択受光アレイ２９の各フォトダイオードＤに入射した光により発生した電流は、増幅器や加算器に流れ、光電式エンコーダ１のより精密な測定が可能となる。
【００４７】
なお、第２実施形態において、選択受光アレイ２９を含む回路は閉回路となればよいので、固定電位源の電圧はアナログ基準電圧に限らず、例えば、接地電圧や電源電圧でもよい。また、第１スイッチング部３５を伝送ゲートの替わりにＰ型のＭＯＳ電界効果トランジスタで構成することもできる。第１スイッチング部３５をＮ型のトランジスタにすれば、上記リーク電流の問題は生じない。設計上の都合でＰ型のトランジスタを用いる場合、第２実施形態によれば、リーク電流が演算部３３に流れるのを防止できる。
【００４８】
次に、第３実施形態について、これまでの実施形態との相違を中心に説明する。図７は第３実施形態に係る光電式エンコーダの受光部に配置された回路であり、図２や図３と対応する図である。図７において、図２や図３中の符号が示すものと同一のものについては同一符号を付すことにより、その説明を省略する。第３実施形態は、図２に示す回路に図３の第２スイッチング部３７を追加したものである。
【００４９】
第２実施形態で説明したように、第１スイッチング部３５としてＮ型のトランジスタを用いればリーク電流の問題は生じないので、この観点からは第２スイッチング部３７は不要となる。第３実施形態において、第２スイッチング部３７を設ける理由は、選択受光アレイ２９が増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２と切り離されているとき、選択受光アレイ２９の各フォトダイオードＤのアノードＡにアナログ基準電圧Ｖｒｅｆを印加するためである。この理由を図８〜図１０を用いて説明する。
【００５０】
図８は、第３実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、選択受光アレイ２９が増幅器から切り離されている状態を示す図である。この図には、受光部９の部分断面、第１スイッチング部３５、第２スイッチング部３７や演算部３３の増幅器Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２が表れている。受光部９は、透明基板２５上にＮ⁻型半導体層３９が配置されて構造をしている。半導体層３９の表面には、多数のＰ^＋型半導体領域４１が所定の間隔を設けて形成されている。Ｐ^＋型半導体領域４１とＮ⁻型半導体層３９との接合部がフォトダイオードＤとなる。Ｎ⁻型半導体層３９には電源電圧Ｖ_ＤＤが印加されている。
【００５１】
変位の測定時、増幅器と接続されているフォトダイオードＤのＰ^＋型半導体領域４１には、増幅器からのフィードバック電圧が印加される。増幅器に印加されるアナログ基準電圧Ｖｒｅｆが２．５Ｖなので、フィードバック電圧は約２．５Ｖである。よって、図８では、受光アレイ２７の各Ｐ^＋型半導体領域４１に、約２．５Ｖの電圧が印加されている。
【００５２】
一方、選択受光アレイ２９は増幅器から切り離されているので、選択受光アレイ２９の各Ｐ^＋型半導体領域４１には、フィードバック電圧は印加されない。その替りに、第２スイッチング部３７がオンすることによるアナログ基準電圧Ｖｒｅｆ（２．５Ｖ）が印加される。よって、選択受光アレイ２９が増幅器から切り離されていても、選択受光アレイ２９の各フォトダイオードＤに印加される逆バイアス電圧の大きさを、受光アレイ２７のそれと同じにできる。したがって、上記測定中に受光アレイ２７の各フォトダイオードＤに形成される空乏層４３の大きさと、選択受光アレイ２９のそれの空乏層４５と同じにできる。
【００５３】
これに対して、選択受光アレイ２９の各Ｐ^＋型半導体領域４１に、アナログ基準電圧Ｖｒｅｆ（２．５Ｖ）の替わりに、接地電圧ＧＮＤ（０Ｖ）や電源電圧Ｖ_ＤＤ（５Ｖ）を印加すると、空乏層４３と空乏層４５の大きさ（たとえば深さ）に相違が生じる。図９は、第２スイッチング部３７をオンすることにより、選択受光アレイ２９の各Ｐ^＋型半導体領域４１が接地された状態、つまり接地電圧ＧＮＤ（０Ｖ）が印加された状態を示している。選択受光アレイ２９の各フォトダイオードＤには、約５Ｖの逆バイアスが印加されるので、空乏層４５の深さは空乏層４３のそれよりも大きくなる。
【００５４】
また、図１０は第２スイッチング部３７をオンすることにより、選択受光アレイ２９の各Ｐ^＋型半導体領域４１に電源電圧Ｖ_ＤＤ（５Ｖ）が印加されている状態を示している。選択受光アレイ２９の各フォトダイオードＤに印加される逆バイアスは約０Ｖなので、空乏層４５の深さは空乏層４３のそれよりも小さい。
【００５５】
受光アレイ２７の空乏層４３と選択受光アレイ２９の空乏層４５との大きさ（光の有効受光部幅）が異なると、受光アレイ２７と選択受光アレイ２９との境界に入射した光の光子は大きい方に引き寄せられる。したがって、受光アレイ２７のフォトダイオードＤのうち、上記境界に位置するフォトダイオードＤと他のフォトダイオードＤとのバランスが崩れ、精密測定の妨げとなる。これに対して、第３実施形態では、空乏層４３と空乏層４５の大きさを揃えることができるので、受光アレイ２７と選択受光アレイ２９との境界に入射した光の光子が大きい方の空乏層に引き寄せられることはない。したがって、受光アレイ２７の各フォトダイオードＤのバランスが崩れることはなく、精密測定を実現できる。
【００５６】
なお、本発明の実施形態では、図２に示すように、受光アレイ２７、選択受光アレイ２９において、各相の信号を２個のフォトダイオードで出力しているが、本発明は１個でも適用できるし、また、３個以上でも適用できる。また、本発明の実施形態において、選択受光アレイ２９の個数を一つにしているが、複数でもよい。例えば、図１に示す受光アレイ２７の左側にも選択受光アレイを配置したり、選択受光アレイ２９の右側にさらに選択受光アレイを配置したり、してもよい。
【００５７】
ここで、選択受光アレイの個数が３個の場合の一例を第４実施形態で説明する。図１１は第４実施形態に係る光電式エンコーダの受光部９およびこれに関連する回路の概略構成を示す図であり、図１と対応している。光源部およびスケールは図１のそれらと同じなので省略している。図１１において、図１中の符号が示すものと同一のものについては同一符号を付すことにより、その説明を省略する。
【００５８】
受光アレイ４７の隣に選択受光アレイ４９が、このアレイ４９の隣に選択受光アレイ５１が、その隣に選択受光アレイ５３が、それぞれ配置されている。アレイ４７，４９，５１，５３において、各相の信号を１個のフォトダイオードで出力している。選択受光アレイ４９，５１，５３はそれぞれ第１スイッチング部（スイッチング手段の一例）５５，５７，５９により、演算部３３の増幅器との接続および切り離しの制御がされる。
【００５９】
第１スイッチング部５５，５７，５９は、それぞれ図３に示す伝送ゲートＴＧ１〜ＴＧ４により構成される。第１スイッチング部５５，５７，５９の伝送ゲートのゲートはそれぞれデコーダ６１の出力となる選択線ＳＥＬ２，ＳＥＬ１，ＳＥＬ０に接続されている。デコーダ６１により第１スイッチング部５５，５７，５９のオン／オフの制御がなされる。
【００６０】
図１２はデコーダ６１の動作機能の一例を示している。例えば、選択受光アレイの個数を二つにする場合、デコーダ６１の入力ＩＮは（「Ｈ」，「Ｌ」）となるので、デコーダ６１の出力、つまり選択線ＳＥＬ０，１，２の電位は（「Ｌ」，「Ｈ」，「Ｈ」）となる。これにより、第１スイッチング部５５，５７，５９のうちスイッチング部５５，５７がオンするので、選択受光アレイ４９，５１が演算部３３の増幅器に接続される。したがって、受光アレイ４７の面積に選択受光アレイ４９，５１の面積を加えた値が受光部９の有効受光面積となる。ここで、測定に利用されるフォトダイオード数とは、受光アレイ４７のフォトダイオードの個数に、選択された選択受光アレイのフォトダイオードの個数を加えた値である。
【００６１】
以上のように、第４実施形態によれば、受光部９の有効受光面積の値の種類を増やすことができるので、測定目的に応じたよりきめの細かい光電式エンコーダの利用が可能となる。
【００６２】
なお、本実施形態において図３および図７に示すように、第２スイッチング部３７をＮ型のＭＯＳ電界効果トランジスタで構成しているが、Ｐ型でもよい。さらに、トランジスタＮＴ１〜ＮＴ８や伝送ゲートＴＧ１〜ＴＧ４を構成するトランジスタをＭＯＳ型にしているが、ＭＩＳ型であってもよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る光電式エンコーダによれば、受光部の有効受光面積を可変にすることができるので、光電式エンコーダの測定精度を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す図である。
【図２】図１の受光部に配置された回路のうち、第１実施形態に関連する部分の回路図である。
【図３】第２実施形態に係る光電式エンコーダの受光部に配置された回路であり、第２実施形態に関連する部分の回路図である。
【図４】増幅器Ｇａ１並びにこれと対応する第１スイッチング部（Ｐ型のＭＯＳ電界効果トランジスタＰＴ）および選択受光アレイを示す図である。
【図５】図４の回路において、Ｐ型のＭＯＳ電界効果トランジスタの替りにＮ型のＭＯＳ電界効果トランジスタを配置した図である。
【図６】図４の回路において、Ｐ型のＭＯＳ電界効果トランジスタの替りに伝送ゲートを配置した図である。
【図７】第３実施形態に係る光電式エンコーダの受光部に配置された回路であり、第３実施形態に関連する部分の回路図である。
【図８】第３実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、選択受光アレイが増幅器から切り離されている状態を示す図である。
【図９】選択受光アレイが増幅器から切り離されている場合に、選択受光アレイのＰ^＋型半導体領域に接地電圧ＧＮＤが印加されている状態を示す図である。
【図１０】選択受光アレイが増幅器から切り離されている場合に、選択受光アレイのＰ^＋型半導体領域に電源電圧Ｖ_ＤＤが印加されている状態を示す図である。
【図１１】第４実施形態に係る光電式エンコーダの受光部およびこれに関連する回路の概略構成を示す図である。
【図１２】第４実施形態に係る光電式エンコーダに備えられるデコーダの動作機能を説明するための図である。
【符号の説明】
１・・・光電式エンコーダ、３・・・発光ダイオード、５・・・インデックススケール、７・・・スケール、９・・・受光部、１１・・・光源部、１３・・・透明基板、１５・・・光学格子、１７・・・遮光部、１９・・・透明基板、２１・・・遮光部、２３・・・光学格子、２５・・・透明基板、２７・・・受光アレイ、２９・・・選択受光アレイ、３１・・・面、３３・・・演算部、３５・・・第１スイッチング部、３７・・・第２スイッチング部、３９・・・Ｎ⁻型半導体層、４１・・・Ｐ^＋型半導体領域、４３，４５・・・空乏層、４７・・・受光アレイ、４９，５１，５３・・・選択受光アレイ、５５，５７，５９・・・第１スイッチング部、６１・・・デコーダ、Ｄ・・・フォトダイオード、Ｇａ１，Ｇｂ１，Ｇａ２，Ｇｂ２・・・増幅器、Ｇａ３，Ｇｂ３・・・加算器、Ｌ・・・光、ＮＴ１〜ＮＴ８・・・Ｎ型ＭＯＳ電界効果トランジスタ、ＴＧ１〜ＴＧ４・・・伝送ゲート[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a photoelectric encoder used for precision measurement.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, photoelectric encoders have been used for precise measurement of linear displacement, angular displacement, and the like. There are various types of photoelectric encoders, for example, a light emitting device, a scale on which an optical grating to which light from the light emitting device is irradiated is formed, and a plurality of photo encoders are disposed so as to be movably opposed to the scale. There is a type including a photodetector in which diodes are arranged in an array (for example, see Patent Document 1). In this type, light from a light-emitting device that has passed through an optical grating of a scale is received by a light-receiving device, and a displacement amount such as a straight line is calculated using an electric signal generated by photoelectric conversion.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-64-57120 (first embodiment on page 3; FIGS. 1 and 2)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
There is also a degree of precision measurement by a photoelectric encoder, and it is not necessary that the same precision is always the same for any measurement, and it is convenient if the precision can be changed according to the situation.
[0005]
The present invention has been made in view of the above point, and an object of the present invention is to provide a photoelectric encoder capable of changing measurement accuracy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A photoelectric encoder according to the present invention includes a light receiving unit in which a plurality of light receiving elements are arranged in an array, each including a light receiving array and a selected light receiving array, and the selected light receiving array is arranged adjacent to the light receiving array. An amplifier to which signals from the light receiving array and the selected light receiving array can be input; switching means for controlling connection and disconnection between the selected light receiving array and the amplifier; and a light receiving section and a gap provided so as to be relatively movable. It is characterized by comprising a scale including an optical grating and a light source unit for generating light for irradiating the scale.
[0007]
According to the photoelectric encoder of the present invention, the selective light receiving array that can be connected to and disconnected from the amplifier by the switching means is provided. For this reason, it is possible to select whether or not to use the selected light receiving array for measuring the displacement, so that the effective light receiving area of the light receiving section can be made variable. When the effective light receiving area of the light receiving section is increased, the measurement accuracy is improved by the averaging effect. On the other hand, when the effective light receiving area of the light receiving section is reduced, the measurement accuracy is reduced, but the power consumption of the photoelectric encoder can be reduced. Therefore, according to the present invention, the measurement accuracy of the photoelectric encoder can be changed by selecting whether to use the selective light receiving array.
[0008]
In the photoelectric encoder according to the present invention, when the selected light receiving array and the amplifier are separated from each other, the selected light receiving array is connected to the fixed potential source by being turned on when the selected light receiving array and the amplifier are connected to each other. The switching device may be further provided with another switching unit that is turned off when the switching is performed.
[0009]
According to this, when the selected light receiving array is not used for measuring the displacement, another switching means is turned on to connect the selected light receiving array to the fixed potential source. Therefore, when the selected light receiving array is not used for measuring displacement, the circuit of the selected light receiving array is a closed circuit. For this reason, even if some kind of light is incident on the selected light receiving array from outside during the measurement of displacement and a current is generated, this current can be prevented from flowing through the closed circuit and flowing through the switching means. Therefore, the leakage current can be prevented from flowing through the switching means to the amplifier, so that the displacement can be accurately measured.
[0010]
In the photoelectric encoder according to the present invention, the other switching means may include a first conductivity type and a second conductivity type field effect transistor connected in parallel.
[0011]
As described above, according to the present invention, when the selected light receiving array is not used, the circuit of the selected light receiving array is a closed circuit. Therefore, even when the switching means has a structure including the field effect transistors of the first conductivity type and the second conductivity type connected in parallel, it is possible to prevent the leakage current from flowing to the amplifier through the switching means. Can be measured.
[0012]
In the photoelectric encoder according to the present invention, the voltage of the fixed potential source can be an analog reference voltage.
[0013]
According to this, when the selected light receiving array is not used for measuring the displacement, the reverse bias voltage applied to each light receiving element of the selected light receiving array can be the same as that applied to each light receiving element of the light receiving array. . Therefore, the size of the depletion layer formed in each light receiving element during measurement can be made the same between the light receiving array and the selected light receiving array, so that accurate measurement can be realized.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a photoelectric encoder according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a photoelectric encoder 1 according to the first embodiment. According to the photoelectric encoder 1, it is possible to select whether or not to use the selective light receiving array 29 for displacement measurement by the first switching unit 35 (an example of a switching unit), so that the measurement accuracy of the photoelectric encoder 1 is changed. Can be. First, the configuration of the photoelectric encoder 1 will be described.
[0015]
The photoelectric encoder 1 includes a light emitting diode (LED) 3, and an index scale 5, a scale 7, and a light receiving unit 9 arranged along the order close to the light emitting diode (LED). Although the photoelectric encoder 1 is of a linear (one-dimensional) type, the present invention can also be applied to a two-dimensional type.
[0016]
The light source unit 11 includes the light emitting diode 3 and the index scale 5. Light generated by the light source unit 11 is applied to the scale 7. The light emitting diode 3 is an example of a light emitting element that emits light, and an index scale 5 is disposed at a position where light L from the diode 3 is irradiated. The index scale 5 includes a long transparent substrate 13, and an optical grating 15 is formed on a surface of the substrate 13 opposite to a surface facing the light emitting diode 3 side. The optical grating 15 is configured such that a plurality of light shielding portions 17 are arranged in a linear shape (an example of an array shape) with a predetermined pitch, and each light shielding portion 17 extends in the depth direction of the drawing. The light shield 17 is made of metal or the like. The present invention can be applied even when the light source unit does not include the index scale 5.
[0017]
The scale 7 is positioned on the optical grating 15 side of the index scale 5 with a predetermined gap from the index scale 5. The scale 7 has a larger dimension in the longitudinal direction than the index scale 5, and a part thereof is shown in FIG. The scale 7 includes a long transparent substrate 19 made of a transparent material such as glass. One surface of the transparent substrate 19 faces the optical grating 15 of the index scale 5. On the other surface of the transparent substrate 19, a plurality of light shielding portions 21 made of metal or the like are provided at a predetermined pitch in a linear shape (an example of an array shape), and each light shielding portion 21 extends in the depth direction of the drawing. Is formed. Thereby, the optical grating 23 is configured.
[0018]
The light receiving section 9 is made of glass or the like so that 16 photodiodes D (an example of light receiving elements) are linearly arranged (an example of an array) with a predetermined pitch and each photodiode extends in the depth direction of the drawing. Are disposed on the transparent substrate 25 of FIG. The light receiving section 9 is positioned with a predetermined gap from the scale 7 so that the light receiving surface of the photodiode D faces the optical grating 23 side. When the pitch of the photodiodes D is, for example, 15 μm, the pitch of the optical grating 23 of the scale 7 is, for example, 20 μm. The number of the photodiodes D is not limited to 16, and may be less than 16 (for example, 8) or more (for example, 96). As the light receiving element, a phototransistor can be used instead of the photodiode.
[0019]
Of the 16 photodiodes D, the first eight photodiodes D constitute the light receiving array 27, and the latter eight photodiodes D constitute the selected light receiving array 29. The selective light receiving array 29 is arranged adjacent to the light receiving array 27.
[0020]
The signals detected by the photodiodes D of the light receiving array 27 and the selected light receiving array 29 are sent to an arithmetic unit 33 disposed on the surface 31 of the light receiving unit 9 on which the photodiode D is formed, and the displacement amount is calculated. An operation is performed. The operation unit 33 is configured by an IC chip. A first switching unit 35 (an example of a switching unit) is disposed on the surface 31, thereby controlling connection and disconnection between the eight photodiodes D constituting the selective light receiving array 29 and the amplifier of the arithmetic unit 33. Is done.
[0021]
The light receiving section 9 is attached to one holder (not shown) together with the light source section 11, and this holder is movable in the longitudinal direction of the scale 7 indicated by X in the figure. That is, the photoelectric encoder 1 measures the amount of displacement by moving the holder with respect to the fixed scale 7. Note that the present invention can be applied to a type in which the light source unit 11 and the light receiving unit 9 are fixed and the displacement amount is measured by moving the scale 7. Therefore, the scale of the present invention is disposed so as to be relatively movable with respect to the light receiving unit and the light source unit.
[0022]
FIG. 2 is a circuit diagram of a portion related to the first embodiment among the circuits arranged in the light receiving section 9. The first switching unit 35 includes N-type MOS field effect transistors NT1 to NT4. The operation section 33 includes amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, Gb2 and adders Ga3, Gb3.
[0023]
The cathode K of each photodiode D is connected to a power supply (for example, 5V). The anode A of each photodiode D of the light receiving array 27 is connected to the inverting input terminal of the corresponding amplifier. The anode A of each photodiode D of the selective light receiving array 29 is connected to the inverting input terminal of the corresponding amplifier via the corresponding transistor NT. An analog reference voltage Vref (for example, 2.5 V) is applied to a non-inverting input terminal of the amplifier. Negative feedback is applied to these amplifiers via a resistor R1 to make the amplification degree accurate.
[0024]
The output terminals of the amplifiers Ga1 and Ga2 are respectively connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the adder Ga3 via the resistor R2. An analog reference voltage Vref (for example, 2.5 V) is applied to the non-inverting input terminal of the adder Ga3 via the resistor R3. The adder Ga3 is subjected to negative feedback via a resistor R4 in order to make the amplification degree accurate. On the other hand, the output terminals of the amplifiers Gb1 and Gb2 are respectively connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the adder Gb3 via the resistor R2.
[0025]
Next, the measurement operation of the photoelectric encoder 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2 by taking as an example a case where the selective light receiving array 29 is not used for measurement. First, the transistors NT1 to NT4 are turned off by setting the voltage of the gate line GL to “L”. As a result, the selective light receiving array 29 is separated from the amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, and Gb2, so that the selective light receiving array 29 is not used for measurement.
[0026]
Next, the light L from the light emitting diode 3 is irradiated on the index scale 5 to modulate it, and the modulated light is irradiated on the scale 7. When the optical grating 15 of the index scale 5 and the optical grating 23 of the scale 7 overlap, a light-dark pattern is formed. Occurs. Then, a change in the light / dark pattern caused by moving the light receiving unit 9 and the light source unit 11 in the direction indicated by X is detected by each photodiode D of the light receiving array 27.
[0027]
Thus, a sine wave signal is output from each photodiode D of the light receiving array 27. Specifically, the photodiode has an A phase (0 ⁰ ), Which output 90 ⁰ B-phase (90 ⁰ ), Which is 180 ⁰ Out of phase / A phase (180 ⁰ ), And 270 from the phase A ⁰ Out of phase / B phase (270 ⁰ ) Is output.
[0028]
In addition to the A-phase and B-phase signals, the inverted / A-phase and / B-phase signals are generated because the DC components included in the A-phase and B-phase signals are removed and the signals are removed. This is to ensure the reliability and high-speed followability. In addition, since the A-phase and the B-phase are used for measuring the displacement, the displacement of the light-receiving unit 9 and the light source 11 is determined in principle. It is possible. Therefore, the present invention can also be applied to an opto-electronic encoder using A-phase and B-phase signals and not using / A-phase and / B-phase signals, or a photoelectric encoder using only A-phase signals. it can.
[0029]
The above four signals are sent to the arithmetic unit 33. After performing predetermined processing (such as removal of a DC component) on the A phase and the B phase, the calculation unit 33 calculates the displacement amount based on the processed A phase and the B phase. More specifically, the A-phase signal, the B-phase signal, the / A-phase signal, and the / B-phase signal are input to the amplifiers via the inverting input terminals of the amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, and Gb2, respectively. Amplified. The amplified A-phase signal and / A-phase signal are input to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the adder Ga3, respectively. As a result, a sine-wave A-phase signal from which the DC component has been removed is generated from the adder Ga3. Similar processing is performed on the amplified B-phase signal and / B-phase signal, and a sine-wave B-phase signal from which the DC component has been removed is generated from the adder Gb3. Then, based on the processed A-phase and B-phase, the calculation unit 33 calculates a displacement amount such as a straight line, and outputs the numerical value to a display unit (not shown). As described above, the power consumption of the photoelectric encoder 1 can be reduced by not using the selective light receiving array 29 in the normal measurement.
[0030]
On the other hand, when performing more precise measurement, the selective light receiving array 29 is used in addition to the light receiving array 27. That is, by setting the voltage of the gate line GL to “H”, the transistors NT1 to NT4 are turned on, and the selective light receiving array 29 is connected to the amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, and Gb2. As a result, of the light applied to the scale 7, a signal generated by a component incident on the selective light receiving array 29 is also sent to the calculation unit 33 through the transistors NT 1 to NT 4 and used for calculation of displacement. Therefore, since the selective light receiving array 29 is used in addition to the light receiving array 27 for measuring the displacement, the effective light receiving area of the light receiving section 9 can be increased. Therefore, the measurement accuracy is improved by the averaging effect, so that more precise measurement can be realized.
[0031]
As described above, according to the photoelectric encoder 1 according to the first embodiment, the measurement accuracy of the photoelectric encoder 1 can be changed by selecting whether or not to use the selective light receiving array 29.
[0032]
Further, according to the first embodiment, the following effects also occur. The light irradiation range differs depending on the light emitting element (the light emitting diode 3 in the first embodiment) attached to the light source unit 11. Therefore, whether to use the selective light receiving array 29 is determined according to the light irradiation range. That is, when the irradiation range is narrow, the selected light receiving array 29 is not used, and when the irradiation range is wide, the selected light receiving array 29 is used. Therefore, according to the first embodiment, the selection range of the light emitting elements to be attached to the light source unit 11 can be expanded.
[0033]
By the way, even if it is not configured as in the present invention, if a plurality of light receiving units having different effective light receiving areas are prepared and the optimum light receiving unit is selected according to the measurement accuracy, the same effect as the present invention can be obtained. Can be achieved. However, since the light receiving section is a semiconductor device, in order to produce a plurality of light receiving sections having different effective light receiving areas, a mask must be prepared in accordance therewith, which increases the manufacturing cost. According to the present invention, such a cost increase does not occur.
[0034]
The variable effective light receiving area of the light receiving section can be realized as follows in addition to the present invention. When a light receiving section having a large effective light receiving area is manufactured and the effective light receiving area is to be reduced, the light irradiation range is limited by an aperture or the like. Consider a case in which this is applied to a type in which the current from a photodiode is amplified by an operational amplifier as shown in FIG. In this case, even if the measurement is performed with the effective light receiving area reduced, the photodiode that is not irradiated with light is still connected to the operational amplifier of the arithmetic unit 33. For this reason, the junction capacitance of the photodiode connected to the operational amplifier does not change even though the photocurrent is reduced due to the decrease in the effective light receiving area. In a circuit of the above type, since the noise gain is determined by the junction capacitance of the photodiode, the fact that the junction capacitance does not change means that the noise level does not change, and therefore the signal-to-noise ratio deteriorates. According to the present invention, when the selected light receiving array 29 is not used, the selected light receiving array 29 is separated from the arithmetic unit 33. Therefore, the noise gain is reduced by reducing the junction capacitance by that amount, so that the signal-to-noise ratio does not deteriorate.
[0035]
Next, the second embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment. FIG. 3 is a circuit diagram of a circuit arranged in a light receiving section of the photoelectric encoder according to the second embodiment, and is a circuit diagram of a portion related to the second embodiment. FIG. 3 corresponds to FIG. 2, and the same components as those indicated by the reference numerals in FIG. In the second embodiment, the first switching unit 35 (an example of a switching unit) is configured by the transmission gates TG1 to TG4, and therefore, a second switching unit 37 (an example of another switching unit) is added. The details will be described below.
[0036]
According to the present inventor, when the first switching unit 35 of FIG. 3 is configured by a P-type MOS field-effect transistor, even if the first switching unit 35 is off (the selective light receiving array 29 has the amplifiers Ga1, Ga2, Gb1, and Gb2). It was found that leakage current flowed through the amplifier, even when disconnected from the amplifier. This will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing the amplifier Ga1, the corresponding first switching unit 35 (P-type MOS field effect transistor PT), and the selective light receiving array 29.
[0037]
Since the potential of the gate line GL is set to "H" (for example, 5 V), the transistor PT is turned off, the selected light receiving array 29 is disconnected from the amplifier Ga1, and the circuit including the selected light receiving array 29 becomes an open circuit. In this state, when any light L is incident on the selective light receiving array 29 from outside, an optical voltage is generated in the photodiode on which the light L is incident.
[0038]
Since the cathode K is connected to a power supply, the voltage of the anode A may become slightly higher than the power supply voltage due to the light voltage. For example, when the power supply voltage is 5V, the voltage of the anode A is about 5.6V. Therefore, the source voltage of the P-type MOS field effect transistor PT connected to the anode A is about 5.6 V, which is higher than the gate voltage (5 V). Accordingly, the gate-source voltage approaches the threshold voltage of the transistor PT, so that the gate of the transistor PT is in an incomplete off state. As a result, the leak current I due to the optical voltage flows through the transistor PT and flows into the amplifier Ga1, which hinders accurate measurement of displacement.
[0039]
If an N-type MOS field effect transistor NT is used instead of the transistor PT as shown in FIG. 5, it is possible to prevent the leak current I from flowing into the amplifier Ga1. That is, when the voltage of the anode A rises to 5.6 V, the gate-source voltage further departs from the threshold voltage of the transistor NT, and the transistor NT maintains a completely off state. When the anode A and the cathode K of the photodiode are reversed, that is, when the anode A is connected to the power supply and the cathode K is connected to the transistors PT and NT, the detailed description is omitted. The problem of leakage current arises in the type transistor.
[0040]
Here, instead of the transistor PT and the transistor NT, as shown in FIG. 6, a transmission gate TG, that is, a switch in which an N-type MOS field-effect transistor NT and a P-type MOS field-effect transistor PT are connected in parallel. In this case, the leak current I does not flow through the transistor NT, but flows through the transistor PT. Therefore, the problem of leakage current cannot be avoided.
[0041]
The transmission gate TG is also called an analog switch or a transmission gate. The operation of the transmission gate TG will be briefly described. When the potential of the gate line GL is set to “L”, an “L” level voltage is applied to the gate of the transistor NT and an “H” level voltage inverted by the inverter IV is applied to the gate of the transistor PT. Thus, both the transistor PT and the transistor NT are turned off at the same time, so that the transmission gate TG does not flow current, that is, is turned off.
[0042]
On the other hand, when the potential of the gate line GL is set to “H”, the “H” level voltage is applied to the gate of the transistor NT and the “L” level voltage inverted by the inverter IV is applied to the gate of the transistor PT. Is applied, both the transistor PT and the transistor NT are turned on at the same time. As a result, the transmission gate TG is in a state where current can flow, that is, turned on.
[0043]
Now, as shown in FIG. 3, in the second embodiment, the first switching unit 35 is configured by the transmission gates TG1 to TG4. Each transmission gate controls connection and disconnection between the anode A of the photodiode D and the inverting input terminals of the amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, and Gb2.
[0044]
In order to prevent the leakage current, the second embodiment adds a second switching unit 37 (an example of another switching unit). The second switching unit 37 includes N-type MOS field effect transistors NT5 to NT8. One source / drain of each of the transistors NT5 to NT8 is connected to the anode A of the corresponding photodiode D of the selective light receiving array 29, and the other source / drain is connected to the analog reference voltage Vref (an example of a fixed potential source). Yes, for example, 2.5 V) is applied. The gates of the transistors NT5 to NT8 are connected to the gate line GL via the inverter IV.
[0045]
The operation of the second embodiment will be described with reference to FIG. First, in normal measurement, the potential of the gate line GL is set to “L”. As a result, the first switching unit 35 (the transmission gates TG1 to TG4) is turned off and the second switching unit 37 (the transistors NT5 to NT8) is turned on. When the first switching unit 35 is turned off, the selective light receiving array 29 is disconnected from the amplifier. When the second switching unit 37 is turned on, the analog reference voltage Vref is applied to the anode A of each photodiode D of the selected light receiving array 29 via the second switching unit 37. In other words, the selected light receiving array 29 is connected to the fixed potential source. As a result, the circuit including the selected light receiving array 29 becomes a closed circuit. Therefore, at the time of normal measurement, even if some light is incident on the selective light receiving array 29 from the outside and a current is generated, this current flows through the closed circuit and can be prevented from flowing through the first switching unit 35. Therefore, it is possible to prevent the leakage current from the first switching unit 35 from flowing to the amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, Gb2 and the adders Ga3, Gb3, so that the displacement can be measured accurately.
[0046]
On the other hand, when performing more precise measurement, the potential of the gate line GL is set to “H”, so that the first switching unit 35 is turned on and the second switching unit 37 is turned off. Since the first switching section 35 is turned on, the selected light receiving array 29 is connected to the corresponding amplifier. As a result, the current generated by the light incident on each photodiode D of the selective light receiving array 29 flows to the amplifier and the adder, and more precise measurement of the photoelectric encoder 1 becomes possible.
[0047]
In the second embodiment, since the circuit including the selective light receiving array 29 may be a closed circuit, the voltage of the fixed potential source is not limited to the analog reference voltage, but may be, for example, a ground voltage or a power supply voltage. Further, the first switching unit 35 may be configured by a P-type MOS field effect transistor instead of the transmission gate. If the first switching unit 35 is an N-type transistor, the problem of the leak current does not occur. According to the second embodiment, when a P-type transistor is used for design reasons, it is possible to prevent a leakage current from flowing to the calculation unit 33.
[0048]
Next, the third embodiment will be described focusing on differences from the previous embodiments. FIG. 7 shows a circuit disposed in the light receiving section of the photoelectric encoder according to the third embodiment, and is a diagram corresponding to FIGS. In FIG. 7, the same components as those shown in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The third embodiment is obtained by adding the second switching unit 37 of FIG. 3 to the circuit shown in FIG.
[0049]
As described in the second embodiment, if an N-type transistor is used as the first switching unit 35, the problem of the leakage current does not occur, and the second switching unit 37 becomes unnecessary from this viewpoint. In the third embodiment, the reason why the second switching unit 37 is provided is that when the selected light receiving array 29 is separated from the amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, and Gb2, the anode A of each photodiode D of the selected light receiving array 29 has This is for applying the reference voltage Vref. The reason will be described with reference to FIGS.
[0050]
FIG. 8 is a diagram illustrating a state where the selective light receiving array 29 is separated from the amplifier in the photoelectric encoder according to the third embodiment. In this figure, a partial cross section of the light receiving unit 9, the first switching unit 35, the second switching unit 37, and the amplifiers Ga1, Gb1, Ga2, and Gb2 of the arithmetic unit 33 are shown. The light receiving section 9 is provided on the transparent substrate 25 with N ⁻ A type semiconductor layer 39 is arranged to have a structure. On the surface of the semiconductor layer 39, many P ⁺ The mold semiconductor regions 41 are formed at predetermined intervals. P ⁺ Semiconductor region 41 and N ⁻ The junction with the mold semiconductor layer 39 becomes the photodiode D. N ⁻ Power supply voltage V _DD Is applied.
[0051]
When measuring the displacement, the P of the photodiode D connected to the amplifier ⁺ A feedback voltage from an amplifier is applied to the type semiconductor region 41. Since the analog reference voltage Vref applied to the amplifier is 2.5V, the feedback voltage is about 2.5V. Therefore, in FIG. ⁺ A voltage of about 2.5 V is applied to the type semiconductor region 41.
[0052]
On the other hand, since the selective light receiving array 29 is separated from the amplifier, each P ⁺ No feedback voltage is applied to the type semiconductor region 41. Instead, the analog reference voltage Vref (2.5 V) due to the turning on of the second switching unit 37 is applied. Therefore, even when the selective light receiving array 29 is separated from the amplifier, the magnitude of the reverse bias voltage applied to each photodiode D of the selective light receiving array 29 can be made the same as that of the light receiving array 27. Therefore, the size of the depletion layer 43 formed in each photodiode D of the light receiving array 27 during the above measurement can be made the same as that of the depletion layer 45 of the selective light receiving array 29.
[0053]
On the other hand, each P of the selective light receiving array 29 ⁺ Instead of the analog reference voltage Vref (2.5 V), the ground voltage GND (0 V) or the power supply voltage V _DD When (5 V) is applied, the size (for example, the depth) of the depletion layer 43 and the depletion layer 45 differs. FIG. 9 shows that each P of the selected light receiving array 29 is turned on by turning on the second switching unit 37. ⁺ This shows a state where the mold semiconductor region 41 is grounded, that is, a state where the ground voltage GND (0 V) is applied. Since a reverse bias of about 5 V is applied to each photodiode D of the selective light receiving array 29, the depth of the depletion layer 45 is larger than that of the depletion layer 43.
[0054]
FIG. 10 shows that each P of the selected light receiving array 29 is turned on by turning on the second switching unit 37. ⁺ Power supply voltage V _DD (5V) is applied. Since the reverse bias applied to each photodiode D of the selective light receiving array 29 is about 0 V, the depth of the depletion layer 45 is smaller than that of the depletion layer 43.
[0055]
If the size (effective light receiving portion width) of the depletion layer 43 of the light receiving array 27 and the depletion layer 45 of the selective light receiving array 29 is different, photons of light incident on the boundary between the light receiving array 27 and the selective light receiving array 29 I'm drawn to the bigger one. Therefore, among the photodiodes D of the light receiving array 27, the balance between the photodiode D located at the above boundary and the other photodiodes D is lost, which hinders accurate measurement. On the other hand, in the third embodiment, since the sizes of the depletion layer 43 and the depletion layer 45 can be made uniform, the depletion in which the photons of the light incident on the boundary between the light receiving array 27 and the selective light receiving array 29 are larger. It is not drawn to the layers. Therefore, the balance of each photodiode D of the light receiving array 27 is not lost, and accurate measurement can be realized.
[0056]
In the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, in each of the light receiving array 27 and the selective light receiving array 29, the signal of each phase is output by two photodiodes. Yes, and more than two can be applied. Further, in the embodiment of the present invention, the number of the selective light receiving arrays 29 is one, but may be plural. For example, a selected light receiving array may be disposed on the left side of the light receiving array 27 shown in FIG. 1, or a selected light receiving array may be further disposed on the right side of the selected light receiving array 29.
[0057]
Here, an example in which the number of the selected light receiving arrays is three will be described in a fourth embodiment. FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a light receiving unit 9 of a photoelectric encoder according to the fourth embodiment and a circuit related thereto, and corresponds to FIG. The light source unit and the scale are the same as those in FIG. In FIG. 11, the same components as those indicated by the reference numerals in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0058]
A selected light receiving array 49 is arranged next to the light receiving array 47, a selected light receiving array 51 is arranged next to the array 49, and a selected light receiving array 53 is arranged next to the selected light receiving array 49. In the arrays 47, 49, 51, and 53, signals of each phase are output by one photodiode. The selection and reception of the selective light receiving arrays 49, 51, and 53 are controlled by first switching units (an example of switching means) 55, 57, and 59, respectively, with respect to connection and disconnection of the arithmetic unit 33 from the amplifier.
[0059]
Each of the first switching units 55, 57, and 59 includes transmission gates TG1 to TG4 shown in FIG. The gates of the transmission gates of the first switching units 55, 57, and 59 are connected to select lines SEL2, SEL1, and SEL0 that are outputs of the decoder 61, respectively. The decoder 61 controls ON / OFF of the first switching units 55, 57, 59.
[0060]
FIG. 12 shows an example of the operation function of the decoder 61. For example, when the number of the selected light receiving arrays is two, the input IN of the decoder 61 is (“H”, “L”), so that the output of the decoder 61, that is, the potential of the selection lines SEL0, SEL1, 2 is ( "L", "H", "H"). As a result, the switching units 55 and 57 of the first switching units 55, 57 and 59 are turned on, so that the selected light receiving arrays 49 and 51 are connected to the amplifier of the arithmetic unit 33. Therefore, the value obtained by adding the area of the selected light receiving arrays 49 and 51 to the area of the light receiving array 47 is the effective light receiving area of the light receiving section 9. Here, the number of photodiodes used for measurement is a value obtained by adding the number of photodiodes of the selected light receiving array to the number of photodiodes of the light receiving array 47.
[0061]
As described above, according to the fourth embodiment, the number of types of values of the effective light receiving area of the light receiving unit 9 can be increased, so that it is possible to use a finer photoelectric encoder according to the measurement purpose.
[0062]
In this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 7, the second switching unit 37 is configured by an N-type MOS field-effect transistor, but may be a P-type. Further, although the transistors constituting the transistors NT1 to NT8 and the transmission gates TG1 to TG4 are of the MOS type, they may be of the MIS type.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the photoelectric encoder of the present invention, the effective light receiving area of the light receiving section can be made variable, so that the measurement accuracy of the photoelectric encoder can be changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a photoelectric encoder according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of a portion related to the first embodiment among circuits arranged in the light receiving unit in FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram of a circuit arranged in a light receiving unit of a photoelectric encoder according to a second embodiment, and is a circuit diagram of a portion related to the second embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing an amplifier Ga1, a first switching unit (P-type MOS field effect transistor PT) corresponding thereto, and a selective light receiving array.
FIG. 5 is a diagram in which an N-type MOS field-effect transistor is arranged in place of the P-type MOS field-effect transistor in the circuit of FIG.
FIG. 6 is a diagram in which, in the circuit of FIG. 4, a transmission gate is arranged instead of a P-type MOS field-effect transistor.
FIG. 7 is a circuit diagram of a circuit arranged in a light receiving unit of a photoelectric encoder according to a third embodiment, and is a circuit diagram of a portion related to the third embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a state where a selective light receiving array is separated from an amplifier in a photoelectric encoder according to a third embodiment.
FIG. 9 shows the P of the selected light receiving array when the selected light receiving array is disconnected from the amplifier. ⁺ FIG. 4 is a diagram showing a state in which a ground voltage GND is applied to a mold semiconductor region.
FIG. 10 shows the P of the selected light receiving array when the selected light receiving array is disconnected from the amplifier. ⁺ Power supply voltage V _DD FIG. 5 is a diagram showing a state where is applied.
FIG. 11 is a diagram illustrating a schematic configuration of a light receiving unit of a photoelectric encoder according to a fourth embodiment and a circuit related thereto.
FIG. 12 is a diagram for explaining an operation function of a decoder provided in a photoelectric encoder according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photoelectric encoder, 3 ... Light emitting diode, 5 ... Index scale, 7 ... Scale, 9 ... Light receiving part, 11 ... Light source part, 13 ... Transparent substrate, 15 ... Optical grating, 17 ... Light shielding part, 19 ... Transparent substrate, 21 ... Light shielding part, 23 ... Optical grating, 25 ... Transparent substrate, 27 ... Light receiving array, 29 ..Selective light receiving array, 31... Surface, 33... Arithmetic unit, 35... 1st switching unit, 37... 2nd switching unit, 39. ⁻ Semiconductor layer, 41 ... P ⁺ Type semiconductor region, 43, 45 ... depletion layer, 47 ... light receiving array, 49, 51, 53 ... selective light receiving array, 55, 57, 59 ... first switching unit, 61 ... decoder , D: photodiode, Ga1, Gb1, Ga2, Gb2: amplifier, Ga3, Gb3: adder, L: light, NT1 to NT8: N-type MOS field effect transistor, TG1 TG4 ... Transmission gate

Claims

A light-receiving unit including a light-receiving array and a selected light-receiving array, each of which includes a plurality of light-receiving elements arranged in an array, and the selected light-receiving array arranged adjacent to the light-receiving array,
An amplifier to which signals from the light receiving array and the selected light receiving array can be input, and switching means for controlling connection and disconnection between the selected light receiving array and the amplifier;
A scale including an optical grating and arranged so as to be relatively movable with the light receiving unit and a gap provided therebetween,
A light source unit that generates light for irradiating the scale,
A photoelectric encoder comprising:

By turning on when the selective light receiving array and the amplifier are disconnected, the selected light receiving array is connected to a fixed potential source, and when the selective light receiving array and the amplifier are connected. 2. The photoelectric encoder according to claim 1, further comprising another switching means for turning off.

3. The photoelectric encoder according to claim 2, wherein said other switching means includes first and second conductivity type field effect transistors connected in parallel.

4. The photoelectric encoder according to claim 2, wherein the voltage of the fixed potential source is an analog reference voltage.