JP3901396B2

JP3901396B2 - エンコーダ

Info

Publication number: JP3901396B2
Application number: JP16359299A
Authority: JP
Inventors: 廉士澤田; 栄治日暮; 脩大口
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: JP2000352525A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザのコヒーレンシ(可干渉性)を利用した位置決め、あるいは変位センサ、ならびにその応用であるマイクロマシンに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種のコヒーレントな光を用いて構成した超小型エンコーダとしては、例えば、本発明者等によって報告されている「超小型ハイブリッドマイクロエンコーダ」１９９８年（平成１０年）秋季第５９回応用物理学会講演会予稿集Ｎｏ．３、１６ａ−ＺＣ−１、ｐｐ．８７９が有る。図７はこの論文で報告されている超小型エンコーダの構成を示すもので、半導体レーザ４、光導波路１、信号（Ａ、Ｂ相信号）検出用フォトダイオード５、モニタリング用フォトダイオード６等の各部品がベース基板３上に配列され、光学系を構成している。すなわち、半導体レーザ４の片方の面から放射されたコヒーレントな光は光導波路１で光路を曲げられ、スケール９に達する。一方半導体レーザ４の他方の面から射出された光の大部分は他の導波路１５を経てスケール９に達し、残りの一部分はモニタ用フォトダイオード６に達し、半導体レーザ４の出力光の強度をモニタする。スケール９には回折格子が形成されており、上記２本の光ビームは回折されると同時に反射される。この反射回折された光のうち一方の光の＋１次の回折光、他方の光の−１次回折光がそれぞれ互いに同方向に進行し、Ａ相、Ｂ相検出用フォトダイオード５に到達する。これら両光ビームの波面の位相は互いに９０°ずれている。エンコーダの動作上で必要とされる信号としては、一般的には被測定物の移動量あるいは回転角の測定用およびその移動方向または回転方向を検出するために位相の異なるＡ相、Ｂ相と呼ばれる２種の光ビームによる検出信号と、スケール９上での測定基準位置を設定するためのＺ信号と呼ばれる合計３種の信号が有る。エンコーダで移動又は回転の方向を検出するための信号としては、上記の９０°位相の異なる光ビームの信号が用いられ、一方の信号をＡ相と呼び、もう一方をＢ相と通常呼んでいる。ここで、エンコーダの方向とは、リニアエンコーダの場合はスケール両端のどちらの端部の方向に移動しているかを示すものであり、ロータリエンコーダの場合は右または左いずれの方向に回転しているかを示すものである。Ｚ信号については、特にエンコーダをロータリエンコーダとして使用する場合、１回転するたびに測定系をリセットすると同時に回転数を検出するために用いられる。このように、１回転毎に得られる信号をエンコーダではＺ信号と称している。なお、リニアエンコーダの場合でもスケール上のある一点を基準として測定する必要が生じる場合が有り、この場合にもＺ信号が必要となる。
【０００３】
従来のエンコーダでは上記のＺ信号を得るためにはこのための別の光学系を必要とし、小型モータあるいはアクチュエータに内蔵して使用される超小型エンコーダに対しては、Ｚ信号の検出機能を持たせることが出来なかった。このように、超小型ロータリエンコーダのような場合には１回転毎のリセット機能が無いためＡ相、Ｂ相の信号が積算され、莫大な数値を示すことになるという問題が有った。このため、超小型という制約条件を満たしつつ、Ａ相、Ｂ相の信号に対しては１回転(すなわち３６０°以内の角度)における数値で計測し、別の信号で回転数のみを検出する方法が望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の超小型エンコーダではスペースの問題からＡ相、Ｂ相の信号検出用光学系のみで、回転数検出および測定系リセット用のＺ信号検出用の光学系を設けることは出来なかった。本発明においては、Ａ相、Ｂ相の光による信号を検出すると同時にＺ信号の検出をも可能にした光学系を有する超小型エンコーダの提供を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、以下の手段により上記目的を達成している。すなわち、
請求項１においては、半導体レーザの一方の窓から射出した第１の光ビームと、上記半導体レーザの他方の窓から射出した第２の光ビームとを、スケール上に形成された周期的パターンで回折反射させ、回折反射された第１の光ビームと第２の光ビームの干渉信号を検知してスケールの相対移動量を測定するエンコーダにおいて、上記スケールの基準位置を示す反射パターンを、上記両光ビームが上記スケールに照射された際の光ビームの広がりの範囲内の上記周期的パターン近傍に配し、上記反射パターンで反射された上記光ビーム広がりの周辺光を検知することにより、上記スケールの基準位置を設定し、上記光ビームと上記スケールとが互いに傾斜角を有して配置されており、少なくとも、上記半導体レーザと、上記半導体レーザの両方の窓から射出される光ビームを上記スケールに照射するように光路を制御する導波路と、上記スケール上の上記周期的パターンで回折反射された上記光ビームの光軸に沿った中心部分のビームを直接受光する位置に配置された光検知手段と上記スケール上の上記基準位置を示す反射パターンで回折反射された上記光ビームの光軸から外れた方向に広がる周辺光を直接受光する位置に配置された光検知手段とを同一基板上に一体的に形成した光学系により形成された上記光ビームを用い、かつ、上記導波路の光射出部における開口を形成しているコア部の厚さによる回折に起因する出射光の広がり角の中に上記周期的パタンと上記基準位置を示す反射パターンとが含まれるように配置した構成としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面により詳細に説明する。
【０００９】
図１は本発明における光学系の基本構成図である。図１に示すように、本発明においても基本構成は図７に示した光学系と同様で、電極及びはんだ形成パターン２を形成した酸化シリコンあるいはセラミックのベース基板３上に、半導体レーザ４、Ａ相、Ｂ相検出用フォトダイオード５、モニタ用フォトダイオード６を予備加熱（例えば、ＡｕＳｎはんだの場合は１８０°程度）して仮止めしておく。同時に、はんだで表面コートした炭化シリコン（ＳｉＣ）あるいはシリコン（Ｓｉ）のブロック７を電極及びはんだパターン２１の上に載せ、さらにＺ信号検出用のフォトダイオード８を載せて仮止めする。なお、図１において、パターン２１は本発明の実施に対して必要となる上記Ｚ信号検出用のフォトダイオードを固定するために形成されたはんだパターンで、従来の電極及びはんだ形成パターン形成のときに同時に形成されたものである。このように各部品の配置が完了した後全体を２７０°乃至３２０°に加熱して完全に各要素部品をボンディングしベース基板３上に固定する。図２は本発明の構成要素であるＺ信号検出用フォトダイード８のチップの仮止めに際し載置する時の見取り図である。
【００１０】
回転角を測定する場合は、図３(ａ)に示す円盤状に形成されたドーナッツ形状のガラス板に放射状の周期的な凹凸あるいは反射率に高低を与えた繰り返しパターン１０をＡ相、Ｂ相信号を得るスケールとして形成し、さらにこの円形スケール部以外の所でかつこの円形スケールの近傍にＺ信号形成用の高反射率パターン１１を１点だけ形成しておく。また、線形運動の移動量を測定するリニアエンコーダとして使用する場合には、図３(ｂ)に示す直線状のスケールを使用する。この場合、回転測定用ロータリエンコーダの場合の円形スケールと形状は異なるものの、角度測定の場合と同様にＡ相、Ｂ相信号生成用のための繰り返しパターン１０に対して、中心位置にして数１００ミクロン離れた位置に高反射率のパターン１１を１箇所形成し、このパターン１１をＺ信号検出用とするものである。
【００１１】
本発明をリニアエンコーダあるいはロータリエンコーダいずれに適用してもその動作原理は同じで、以下のようにして説明される。先ず、ベース基板３およびその上に形成された光学系で構成されたエンコーダ本体を図４に示すようにスケールに対して傾けて設置する。この最適傾け角度αは以下の（数１）式で与えられる。
【００１２】
【数１】

【００１３】
ここで、ｄ１はスケールからＡ相、Ｂ相検出用フォトダイオード５までの距離、半導体レーザの光出射窓中心の高さ、ｈ２はＺ信号検出用ダイオード８の受光窓中心の高さで、本実施の形態における実験ではｈ１＝６．５μｍ、ｈ２＝２００μｍ、ｄ１＝１３３０μｍを用いたので、(数１)式よりα＝４．１度傾けた。
【００１４】
図４において、スケール９上でＡ相、Ｂ相検出用パターンとＺ信号用パターンとの中心間距離ｈ４は、導波路１および導波路１５の光射出部の大きさ、すなわちコア部の厚さにより光ビームは回折され広がるため、上記両パターンの中心間距離ｈ２はこの広がり角の中に含まれることが要求され、この値は(数２)式で求めることが出来る。
【００１５】
【数２】

【００１６】
ここで、γはビーム垂直方向広がり角度(全値半角)、ｔは導波路１のコア厚さ、Ｄ１は導波路１の先端の中央部から出射したビームがスケールで反射した後Ｚ信号検出用フォトダイオードに至るまでの距離である。本実施の形態における実験ではγ＝１０度、Ｄ１＝１３００μｍであるので、距離ｈ４はｈ４＝２３０μｍとなる。なお、Ｚ信号検出用フォトダイオード８の位置を高くするため高さ４３０μｍのブロックを用いた。導波路１の先端から出射した光ビームのうち光軸に沿った中心部分のビーム１２はＡ相、Ｂ相検出用の信号を得るために形成されたスケール９上のパターン１０で反射回折した後、Ａ相、Ｂ相検出用フォトダイオード５で検出される。同時に、Ｚ信号検出用のフォトダイオード８からは一回転に一度だけ急峻なパルス信号が検出される。この場合、図４におけるパターン１１に対する照射光としては、導波路１から出射する光ビームのうち、光軸に沿った成分ではなく導波路１および導波路１５の開口部の回折による広がり成分のうち一部の光ビーム１３を用いている。
【００１７】
なお、本実施の形態ではＺ信号検出用フォトダイオード８の位置を高くするためにブロック７を挿入したが、エッチングによりＳｉＯ₂あるいはＳｉＮ等のパターンを形成しておき、その後、ＫＯＨ水溶液あるいはＴＭＡＨ等による薬剤によりシリコンを異方性エッチングしても同様の結果が得られる。あるいは、機械加工により図５に示すようなＺ信号検出用フォトダイオードを載せるテラス１４を有するベース基板を予め製作しておき、その後、導波路１や電極及びはんだパターン２等の作成、さらに半導体レーザ４、Ａ相、Ｂ相検出用フォトダイオード５、モニタ用フォトダイオード６、Ｚ信号検出用フォトダイオード８等をボンディングして図６に示すように同様なＺ信号検出可能なエンコーダを実現し得ることは明らかである。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては光軸方向から外れた方向に広がる光ビーム成分を利用するため、従来のエンコーダの光学系にフォトダイオードを１個追加するのみでよいため、エンコーダの寸法が横方向(スケール方向)に１００μｍ大きくなる程度で簡易な構造で高性能エンコーダを実現することが出来る。このサイズ変化は全体寸法の５％であり、超小型エンコーダが得られているため、微小モータ、ロボットアーム等に組み込んだ状態で回転動作の検出が可能となった。さらに、超小型でかつＺ信号検出も可能であることから、アクチュエータ、ミニステージ等に組み込んで、スケールの基準値を同定できるため、いったん停止した後でも同じ位置からの再現が可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるエンコーダ光学系の構成図。
【図２】本発明におけるＺ信号検出用フォトダイオード取り付け部分見取り図。
【図３】本発明において使用するスケール外観図。
【図４】本発明における動作原理説明用光学系構成図。
【図５】本発明におけるベース基板の形状の一例を示す外観図。
【図６】図５のベース基板を用いたエンコーダの光学系構成図。
【図７】従来公知の超小型エンコーダの光学系構成図。
【符号の説明】
１：導波路
２：電極及びはんだ形成パターン
２１：ブロック上にコートした電極及びはんだパターン
３：ベース基板
４：半導体レーザ
５：Ａ相、Ｂ相検出用フォトダイオード
６：モニタ用フォトダイオード
７：はんだコートされたＳｉＣまたはＳｉのブロック
８：Ｚ信号検出用フォトダイオード
９：スケール
１０：Ａ相、Ｂ相検出用パターン
１１：Ｚ信号検出用パターン
１２：導波路先端部から射出した光ビームのうち光軸に沿った中心部の光ビーム
１３：導波路先端部から射出した光ビームのうち周辺に広がる光成分の光ビーム
１４：ベース基板上にエッチングまたは機械加工により形成されたテラス

Claims

半導体レーザの一方の窓から射出した第１の光ビームと、上記半導体レーザの他方の窓から射出した第２の光ビームとを、スケール上に形成された周期的パターンで回折反射させ、回折反射された第１の光ビームと第２の光ビームの干渉信号を検知してスケールの相対移動量を測定するエンコーダにおいて、
上記スケールの基準位置を示す反射パターンを、上記両光ビームが上記スケールに照射された際の光ビームの広がりの範囲内の上記周期的パターン近傍に配し、上記反射パターンで反射された上記光ビーム広がりの周辺光を検知することにより、上記スケールの基準位置を設定し、
上記光ビームと上記スケールとが互いに傾斜角を有して配置されており、
少なくとも、上記半導体レーザと、上記半導体レーザの両方の窓から射出される光ビームを上記スケールに照射するように光路を制御する導波路と、上記スケール上の上記周期的パターンで回折反射された上記光ビームの光軸に沿った中心部分のビームを直接受光する位置に配置された光検知手段と、上記スケール上の上記基準位置を示す反射パターンで回折反射された上記光ビームの光軸から外れた方向に広がる周辺光を直接受光する位置に配置された光検知手段とを同一基板上に一体的に形成した光学系により形成された上記光ビームを用い、
かつ、上記導波路の光射出部における開口を形成しているコア部の厚さによる回折に起因する出射光の広がり角の中に上記周期的パタンと上記基準位置を示す反射パターンとが含まれるように配置したことを特徴とするエンコーダ。