JP3622960B2 - 投影型エンコーダ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は透過格子および受光素子が形成された半導体基板などの基板を用いた3枚格子の理論に基づく投影型エンコーダに関し、特に、位置検出のための原点位置信号を精度良く生成可能な小型でコンパクトに構成された投影型エンコーダに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本発明者等は先に、特開2000―321097号公報等において、3枚格子の理論に基づく投影型エンコーダを提案している。この投影型エンコーダは、光源としてのLEDと、一定のピッチで透過格子および受光素子(ホトダイオード)が作り込まれている半導体基板からなる移動板と、一定のピッチで反射格子が形成されている反射格子板とを備えており、LEDと反射格子板の間に移動板が配置された構成となっている。
【0003】
この構成の投影型エンコーダでは、移動板を測定対象物と一体化させて、LEDからの射出光の光軸に直交する方向に沿って、透過格子およびホトダイオードの配列方向に移動させる。LEDからの射出光は、まず、移動板の背面を照射し、当該移動板に形成されている透過格子を通過して反射格子板の表面を格子縞状に照射する。反射格子板にも一定のピッチで反射格子が形成されているので、当該反射格子板を照射した光のうちの各反射格子に照射した成分のみが反射される。反射格子像は再び移動板を照射し、一定のピッチおよび一定幅で形成されている縦縞状のホトダイオードによって受光される。
【0004】
移動格子板に形成された縦縞状の透過格子とホトダイオードとが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、ホトダイオードの受光量は、反射格子板と移動格子板の相対移動に対応して正弦波状に変化する。よって、ホトダイオード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。
【0005】
また、90度位相の異なるA相信号およびB相信号が得られるように、ホトダイオードを配列しておけば、これらの2相の信号に基づき、移動格子板の移動方向も判別できる。
【0006】
このように、上記の公開公報等に開示されている投影型エンコーダにおいては、透過格子および受光素子を半導体製造技術により製作しているので、微小ピッチの格子を製造することができ、高分解能のエンコーダを実現できる。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。さらには、3枚格子の理論により、反射格子と透過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。これに加えて、反射格子と透過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。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、移動板と固定側の反射格子板との相対位置を検出するためには、位置や回転角度の基準になる原点位置を検出する必要がある。原点位置を検出するためには、移動板に原点位置検出用の受光素子を作り込むと共に、反射格子板に原点位置検出用の反射格子を形成することが考えられる。この場合、移動板と反射格子板の間隔を大きくすると、原点位置検出用の反射光像のコントラストが低下し、検出される信号のレベルが小さくなってしまう。この結果、原点位置検出用の検出信号がノイズに埋もれてしまい、原点位置を精度良く検出できないおそれがある。
【0008】
検出信号レベルを安定化させると共に検出信号レベルを高めるためには、原点検出用の反射格子の数および原点検出用の受光素子の数を増やして、原点位置を差動検出することが考えられる。しかしながら、単に差動検出を適用しようとすると、移動板および反射格子板の大型化を招くことになる。換言すると、移動板および反射格子板の大きさに制約のある場合には、原点位置検出用の受光素子および反射格子の数を増やすことができないので、精度良く原点位置検出を行うことができない。
【0009】
本発明の課題は、この点に鑑みて、原点位置を精度良く検出可能な3枚格子の理論に基づく投影型エンコーダを提案することにある。
【0010】
また、本発明の課題は、原点位置の検出機構が小型でコンパクトに構成された3枚格子の理論に基づく投影型エンコーダを提案することにある。
【0011】
【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、一定のピッチで配列された所定形状の反射格子と、一定のピッチで配列された所定形状の透過格子と、前記光源から出射され前記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し、各受光素子から得られる検出信号に基づき、少なくとも、前記反射格子および前記透過格子の相対移動位置を検出する投影型エンコーダであって、
前記反射格子が形成されている反射格子板と、前記透過格子および前記受光素子が形成されている基板と、前記反射格子板および前記基板の原点位置を検出するための原点位置検出機構とを有しており、
前記原点位置検出機構は、
前記反射格子板に形成された原点位置検出用反射格子領域と、
前記基板に形成された原点位置検出用受光素子領域とを備え、
前記原点位置検出用反射格子領域では、M系列の配列パターンに従って一定幅の反射格子および非反射格子が配列されており、
前記原点位置検出用受光素子領域では、前記M系列の配列パターンに従って位相の異なるZ相信号およびZ’相信号を得るための一定幅のZ相受光素子およびZ’相受光素子が配列されており、
前記原点位置検出用反射格子領域で反射された反射光像を前記原点位置検出用受光素子領域において受光できるように、これら原点位置検出用反射格子領域および原点位置検出用受光素子領域の位置関係が設定されていることを特徴としている。
【0012】
M系列の配列パターンを採用することにより、原点位置検出用反射格子領域における配列パターンと、原点位置検出用受光素子領域における配列パターンとが一致した場合に、Z相受光素子による受光量とZ’相受光素子による受光量の差異が最大となり、双方の配列パターンが一致しない場合における光量差は実質的に零に近い。従って、これらZ相受光素子およびZ’相受光素子からの検出信号の差動を取ることにより、S/N比の高い原点位置信号を確実に生成することができる。
【0013】
ここで、本発明は、原点位置検出のための反射光像のコントラストを高めるために、前記反射格子板に形成されている前記原点位置検出用反射格子領域において一定のピッチで配列されている各反射格子および各非反射格子を、それぞれ、1/2のピッチで配列された1/2の幅の二分割反射格子および二分割非反射格子から構成してある。
【0014】
また、前記基板には、前記透過格子が一定のピッチで配列された透過領域と、この透過領域の一方の側において前記受光素子が一定のピッチで配列されている受光領域と、前記透過領域の他方の側において前記Z相受光素子および前記Z’相受光素子が一定のピッチで配列されている前記原点位置検出用受光素子領域とを形成することができる。この場合、前記反射格子板には、前記受光領域に対峙可能な位置に前記反射格子が一定のピッチで配列された反射格子領域と、前記原点位置検出用受光素子領域に対峙可能な位置に前記反射格子および非反射格子が一定のピッチで配列された原点位置検出用反射格子領域とを形成すればよい。
【0015】
次に、本発明の投影型エンコーダの前記原点位置検出機構は、前記Z相受光素子による検出信号と前記Z’相受光素子による検出信号との差動信号に基づき原点位置を検出する信号処理部を備えていることを特徴としている。
【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3枚格子の理論に基づく投影型リニアエンコーダの実施例を説明する。
【0017】
図1は本例の投影型リニアエンコーダを示す概略構成図であり、図2はその主要部分の側面構成図である。これらの図に示すように、投影型リニアエンコーダ1は、LED、ハロゲンランプなどの光源2と、透過格子群3およびホトダイオード群4、5が作り込まれている半導体基板からなる移動格子板6と、反射格子群7、8が表面に形成されている反射格子板(固定格子板)9と、制御回路部10から基本的に構成されている。光源2からの射出光は、移動格子板6に形成されている透過格子群3を透過して、反射格子板9の反射格子群7、8を照射する。この反射格子群7、8で反射された反射光像がホトダイオード群4、5で受光され、各ホトダイオード群4、5の検出信号が制御回路部10に供給される。
【0018】
制御回路部10は、ホトダイオード群4、5の検出信号に基づき、1/4λだけ位相のずれたA相信号およびB相信号、並びに移動格子板6の原点位置を示すZ相信号を形成する信号処理部11と、これらA相、B相信号およびZ相信号に基づき移動格子板6の移動速度、移動方向、移動位置等の移動情報を演算するための演算部12と、演算結果を表示する表示部13と、光源2の駆動をフィードバック制御するランプ駆動部14とを備えている。
【0019】
図3は反射格子板9の表面に形成されている反射格子の配列パターンを示す説明図である。反射格子板9の表面9aは光源2からの射出光の光軸Lに垂直に配置されていると共に移動格子板6の移動方向Rに平行となるように配置されている。この表面9aにおける、移動方向Rに直交する方向の一方の表面部分(図において上側部分)に、一定幅の反射格子71が一定のピッチで移動方向Rに配列されている。また、表面9aにおける他方の表面部分(図の下側部分)には、M系列の配列パターンに従って一定幅の反射格子81および非反射格子82が配列されている。本例では、反射格子板9を透明基板から形成してあり、従って、その表面に反射格子81を規定している反射膜が形成されているのみであり、図において想像線で示す非反射格子82は理解を容易にするために便宜上、描いたものである。
【0020】
図4は、反射格子板9に対峙している移動格子板6に形成されている透過格子群3、ホトダイオード群4、5を示す説明図である。この図に示すように、移動格子板6には、その移動方向Rに直交する方向における中央部分に光透過領域30が形成されており、この光透過領域30は、一定幅の透過格子31が一定のピッチで移動方向Rに配列された透過格子群3から構成されている。この光透過領域30を挟み、一方の側(図における上側)にはA相信号およびB相信号検出用のホトダイオード群4からなる受光領域40が形成されている。本例のホトダイオード群4は、A相信号検出用のホトダイオード4Aと、B相信号検出用のホトダイオード4Bと、A相信号の反転信号であるA’相信号検出用のホトダイオード4A’と、B相信号の反転信号であるB’信号検出用のホトダイオード4B’を含んでいる。これらのホトダイオードは同一幅であり同一のピッチで移動方向Rに配列されている。
【0021】
透過格子31の反対側(図における下側)には、Z相信号検出用のホトダイオード群5からなる原点位置検出用受光素子領域50が形成されている。本例のホトダイオード群5は、Z相信号検出用のホトダイオード5Zと、Z相信号の反転信号であるZ’相信号検出用のホトダイオード5Z’とを含んでいる。これらのホトダイオードは同一幅であり同一ピッチで交互に移動方向Rに配列されている。
【0022】
次に、図5は移動格子板6の中央部分に形成されている光透過領域30の拡大部分断面図である。この図から分かるように、本例の光透過領域30は、移動格子板6の裏面側からウエットエッチングを施すことにより形成された薄膜部分61に、ICP等のドライエッチングにより一定のピッチで一定幅の透過格子31としてのスリットを形成した構成とされている。
【0023】
図6は、移動格子板6の受光領域40に作り込まれているホトダイオード群4に含まれているホトダイオード4A、4Bを示す拡大部分断面図である。ホトダイオード群5も同様である。この図から分かるように、シリコン基板からなる移動格子板6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62を備えたpn接合のホトダイオード4A、4Bが作り込まれている。各ホトダイオード4A、4Bのボロンドープ層62にはアルミニウム製の電極配線層63、64が接続されており、移動格子板6のn層の側にはアルミニウム製の共通電極層65が接続されている。電極配線層63、64と移動格子板6の間はシリコン酸化膜からなる絶縁層66により絶縁されている。また、移動格子板6の露出表面は耐久性を確保するためにシリコン酸化膜67によって覆われている。同様に、ボロンドープ層62の表面もシリコン酸化膜68によって覆われている。
【0024】
(原点位置検出機構)
次に、本例の投影型リニアエンコーダ1における原点位置信号(Z相信号)を検出するための検出原理について説明する。まず、本例の投影型リニアエンコーダ1に組み込まれている原点位置検出機構は、上述した移動格子板6の原点位置検出用受光素子領域50に形成されているホトダイオード群5(Z相検出用のホトダイオード5Z、5Z’)と、反射格子板9の原点位置検出用反射格子領域80に形成されている反射格子81および非反射格子82と、信号処理部11とを含んでいる。
【0025】
本例では、原点位置検出のためにM系列の配列パターンを利用している。例えば、次のような15個のM系列の配列パターンを利用している。
000100110101111
このM系列の配列パターンを2組上下に並べた場合において、図7(a)に示すように上段の組と下段の組の各桁を一致させるように並べた場合には、全ての桁において「0」同士の組み合わせ、および「1」同士の組み合わせとなる。よって、「1」同士の組み合わせとなる桁の数が8、上段が「1」、下段が「0」の組み合わせとなる桁の数が0になり、その差は8である。しかるに、図7(b)に示すように、上段の組に対して下段の組相対的に1桁分ずれると、「1」同士の組み合わせとなる桁の数が4、上段が「1」、下段が「0」の組み合わせとなる桁の数が3になり、その差は僅か1となる。
【0026】
本例では、反射格子板9の原点位置検出用反射格子領域80において、このM系列の配列パターンにおける「1」を反射格子81に対応させ、「0」を非反射格子82に対応させるように、これらの格子81、82を配列してある。同様に、移動格子板6の原点位置検出用受光領域50では、M系列の配列パターンにおける「1」をZ相検出用のホトダイオード5Zに対応させ、「0」をZ’相検出用のホトダイオード5Z’に対応させるように、これらのホトダイオード5Z、5Z’を配列してある。すなわち、図7(c)に示すように、反射格子板9には原点位置検出用の反射格子81および非反射格子82が配列され、移動格子板6に原点位置検出用のホトダイオード5Z、5Z’が配列されている。図7(d)には、図7(b)のように配列パターンが1桁分だけずれた場合に対応する反射格子板9と移動格子板6の関係を示してある。
【0027】
ここで、反射格子81に対峙する位置にあるホトダイオード5Zあるいは5Z’が当該反射格子81による反射光を受光するという光の強度のみを考慮すると、図7(c)の場合には、Z相検出用のホトダイオード5Zは8箇所全てにおいて受光し、Z’相検出用のホトダイオード5Z’で受光する個所は零である。従って、これらZ相検出用のホトダイオード5ZとZ’相検出用のホトダイオード5Z’の光量差は、1個のホトダイオードによる受光量を「1」とすると「8」になる。これに対して、図7(d)の場合には、Z相検出用のホトダイオード5Zによる受光量が「4」であり、Z’相検出用のホトダイオード5Z’による受光量が「3」であり、光量差は僅かに「1」となる。従って、これらZ相検出用のホトダイオード5Zから得られる検出信号と、Z’相検出用のホトダイオード5Z’から得られる検出信号との差動信号を生成すれば、当該差動信号が最大となる位置、すなわち原点位置(図7(c)に示す移動格子板の位置)において最大レベルの検出信号が得られる。
【0028】
M系列の配列パターンは(2−1)(n:正の整数)の周期パターンである。一例として、63桁からなるM系列の配列パターン(n=6)を、原点位置検出用のホトダイオード5Z、5Z’の配列パターン、および原点位置検出用の反射格子81および非反射格子82の配列パターンに採用した。図8のグラフは、この場合におけるZ相検出用のホトダイオード5ZとZ’相検出用のホトダイオード5Z’の差動信号の強度を、移動格子板6の移動に伴ってプロットしたものである。
【0029】
次に、反射格子板9における原点位置検出用の反射格子81および非反射格子82の配列パターンとしては、図9に示す構成のものを採用することができる。3枚格子の理論では、透過格子(オブジェクト格子)、反射格子(瞳格子)および受光素子(イメージ格子)の各ピッチをそれぞれ、P1、P、P2としたとき、2P1=P=2P2の関係を満たす場合に高コントラストの反射光像が得られる。この点を考慮すると、例えば、図7(c)に示す理論的な反射格子81および非反射格子82の配列パターンを二分割した配列パターンとすれば、より高コントラストの原点信号を得ることができる。すなわち、図9(a)に示すM系列の配列パターンによる各反射格子81および各非反射格子82を、図9(b)に示すように、それぞれ、1/2のピッチで配列された1/2の幅の二分割反射格子81a、81b、および二分割非反射格子82a、82bに置き換えた配列パターンとすればよい。
【0030】
(検出動作)
このように構成された本例の投影型リニアエンコーダ1では、移動格子板6を測定対象物(図示せず)と一体化させて、光軸Lに直交する方向であって、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。光源2からの出射光は、まず、移動格子板6の背面を照射し、当該移動格子板6に形成されている光透過格子群3を透過して固定した位置に配置されている反射格子板9を格子縞状に照射する。反射格子板9にも一定ピッチで同一幅の反射格子群7、8が形成されているので、当該反射格子板9を照射した光のうち各反射格子7、8に照射した成分のみが反射される。反射格子像は再び移動格子板6を照射し、ホトダイオード群4、5によって受光される。
【0031】
移動板6に形成された縦縞状の透過格子群3とホトダイオード4とが2枚の格子板として機能する。従って、反射格子群7を用いた3枚格子の理論に基づき、ホトダイオード群4においては、固定側の反射格子群7と移動側の透過格子群3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、ホトダイオード群4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。
【0032】
また、ホトダイオード4A、4A’の差動出力に基づき、精度良くA相信号を得ることができ、ホトダイオード4B、4B’の差動出力に基づき、精度良くB相信号を得ることができる。これらの2相の信号に基づき、移動格子板6の移動方向も判別できる。
【0033】
さらに、本例の投影型リニアエンコーダ1では、A相信号、B相信号と共に、移動格子板6の原点位置を検出するためのZ信号も得られる。移動格子板6が移動すると、ホトダイオード5Z、5Z’から図7、8を参照して説明したように検出信号が得られる。移動格子板6が原点位置に到ると、ホトダイオード5Z、5Z’の差動信号は最大レベルとなり、確実かつ精度良くZ相信号が得られる。
【0034】
(その他の実施の形態)
上記の例では、反射格子が形成されている反射格子板を固定側としてあるが、当該反射格子板の側を移動側とし、移動板の側を固定側としてもよい。
【0035】
また、光源としては、LED、レーザー光源、ハロゲンランプなどの各種の光源を利用することができる。
【0036】
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、光透過格子とホトダイオードを、円周方向に向けて一定の角度間隔で形成すればよい。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、3枚格子の理論に基づき、反射格子と透過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で受光させるようにした投影型エンコーダにおいて、透過格子が形成されている基板に原点位置検出用受光素子領域を形成し、反射格子が形成されている反射格子板にも原点位置検出用反射格子領域を形成し、原点位置検出用受光素子領域にはM系列の配列パターンに従ってZ相検出用ホトダイオードおよびZ’相検出用ホトダイオードを配列し、原点位置検出用反射格子領域にも同様にM系列の配列パターンに従って反射格子および非反射格子を配列した構成を採用している。
【0038】
従って、本発明によれば、原点位置検出用のZ相検出用ホトダイオードおよびZ’相検出用ホトダイオードの差動信号を得ることにより、原点位置において大きな信号レベルの原点位置検出信号を生成することができる。よって、原点位置の検出を光量変動などに影響されることなく精度良く行うことが可能になる。また、原点位置検出機能付きの投影型エンコーダを小型でコンパクトに構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した3枚格子の理論に基づく投影型リニアエンコーダを示す概略構成図である。
【図2】図1の移動格子板、反射格子板および光源の配置関係を示す側面構成図である。
【図3】図1の反射格子板に形成されている反射格子の配列パターンを示す説明図である。
【図4】図1の移動格子板に形成されている透過格子、ホトダイオード群の配列パターンを示す説明図である。
【図5】図1の移動格子板における透過格子の形成部分を示す拡大部分断面図である。
【図6】図1の移動格子板に形成されているホトダイオードの部分を示す拡大部分断面図である。
【図7】図1の投影型リニアエンコーダにおける原点位置の検出原理を示す説明図である。
【図8】図1の投影型リニアエンコーダにおけるZ相検出用ホトダイオードおよびZ’相検出用ホトダイオードの差動信号の強度を移動格子板の移動に伴ってプロットしたグラフである。
【図9】図1の反射格子板に形成されている原点位置検出用反射格子領域に形成可能な反射格子および非反射格子の配列パターンを示す説明図である。
【符号の説明】
1 投影型リニアエンコーダ
2 光源
3 透過格子
4、5 ホトダイオード群
4A、4A’、4B、4B’ ホトダイオード
5Z、5Z’ ホトダイオード
40 受光領域
50 原点位置検出用受光素子領域
6 移動格子板
7、8 反射格子群
71、81 反射格子
82 非反射格子
80 原点位置検出用反射格子領域
9 反射格子板
10 制御回路部
11 信号処理部
12 演算部
13 表示部
14 ランプ駆動部

Claims (3)

  1. 光源と、一定のピッチで配列された所定形状の反射格子と、一定のピッチで配列された所定形状の透過格子と、前記光源から出射され前記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し、各受光素子から得られる検出信号に基づき、少なくとも、前記反射格子および前記透過格子の相対移動位置を検出する投影型エンコーダであって、
    前記反射格子が形成されている反射格子板と、前記透過格子および前記受光素子が形成されている基板と、前記反射格子板および前記基板の原点位置を検出するための原点位置検出機構とを有しており、
    前記原点位置検出機構は、前記反射格子板に形成された原点位置検出用反射格子領域と、前記基板に形成された原点位置検出用受光素子領域とを備え、
    前記原点位置検出用反射格子領域では、M系列の配列パターンに従って一定幅の反射格子および非反射格子が配列されており、
    前記原点位置検出用受光素子領域では、前記M系列の配列パターンに従って位相の異なるZ相信号およびZ’相信号を得るための一定幅のZ相受光素子およびZ’相受光素子が配列されており、
    前記原点位置検出用反射格子領域で反射された反射光像を前記原点位置検出用受光素子領域において受光できるように、これら原点位置検出用反射格子領域および原点位置検出用受光素子領域の位置関係が設定されており、
    前記反射格子板に形成されている前記原点位置検出用反射格子領域において一定のピッチで配列されている各反射格子および各非反射格子は、それぞれ、1/2のピッチで配列された1/2の幅の二分割反射格子および二分割非反射格子から構成されていることを特徴とする投影型エンコーダ。
  2. 請求項1において、
    前記基板には、前記透過格子が一定のピッチで配列された透過領域と、この透過領域の一方の側において前記受光素子が一定のピッチで配列されている受光領域と、前記透過領域の他方の側において前記Z相受光素子および前記Z’相受光素子が一定のピッチで配列されている前記原点位置検出用受光素子領域とが形成されており、
    前記反射格子板には、前記受光領域に対峙可能な位置に前記反射格子が一定のピッチで配列された反射格子領域と、前記原点位置検出用受光素子領域に対峙可能な位置に前記反射格子および非反射格子が一定のピッチで配列された原点位置検出用反射格子領域とが形成されていることを特徴とする投影型エンコーダ。
  3. 請求項1または2において、
    前記原点位置検出機構は、前記Z相受光素子による検出信号と前記Z’相受光素子による検出信号との差動信号に基づき原点位置を検出する信号処理部を備えていることを特徴とする投影型エンコーダ。
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