JP4331899B2

JP4331899B2 - Optical encoder

Info

Publication number: JP4331899B2
Application number: JP2001029594A
Authority: JP
Inventors: 俊隆下村; 哲人 ▲高▼橋
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002228490A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小変位の高精度測定を可能とする光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダは所定ピッチの光学格子が形成されたスケール格子とこれに摺動可能に取り付けられるセンサヘッドとにより構成される。センサヘッドには、光源とその光源光を変調してスケールを照射するための光源側インデックス格子及び、スケールからの光をフィルタリングする受光側インデックス格子とその透過光を検出する受光素子を備えて構成される。
【０００３】
スケールが透過型の場合、スケールを挟んで両側に光源側インデックス格子と受光側インデックス格子を配置することなり、センサヘッドが大きくなる。これに対して、スケールを反射型とした場合は、スケールの一方側の光源側インデックス格子と受光側インデックス格子を配置することになり、透過型に比べて小型化ができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光学式エンコーダでは、スケール格子（第２格子）と光源側インデックス格子（第１格子）及び受光側インデックス格子（第３格子）が別々に作られるため、小型化には限界があり、微小変位の測定に用いられる小型で高精度の光学式エンコーダを作ることは難しい。特に、スケール格子と光源側インデックス格子及び受光側インデックス格子のアライメントが精度を決定することになり、振動や温度変動等に対する許容度の大きい小型エンコーダを得ることは容易ではない。
【０００５】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、高精度のアライメントが可能であり、従って微小変位の高精度測定が可能である光学式エンコーダを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光学式エンコーダは、基板と、この基板上に板バネにより浮いた状態に保持されて基板と平行な測定軸方向に移動可能に配置されたスケール格子と、このスケール格子に光を照射するための光源と、前記スケール格子で強度変調された光から所定周波数成分を抽出するための前記基板上に形成された受光側インデックス格子と、前記受光側インデックス格子で抽出された光を検出するための前記基板上に形成された受光素子とを備え、前記基板と、前記板バネ、スケール格子及び受光側インデックス格子とは、スケール用基板のリソグラフィとエッチングにより一体に形成されていることを特徴とする。
【０００７】
この発明によると、スケール格子とこれを基板上に浮いた状態で保持するための板バネ及び受光側インデックス格子、更に必要なら光源側インデックス格子が、一枚のスケール用基板をリソグラフィとエッチングを基本として加工して一体形成される。従って、各光学格子のアライメントはリソグラフィにより決まり、従来のようなエンコーダ組立時のアライメント調整が不要であり、微小変位を高精度に測定できる小型エンコーダが得られる。
【０００８】
具体的にこの発明が適用される好ましい光学式エンコーダとしては、次のようなものがある。（ａ）基板上に光源の出力光が入射される反射型の光源側インデックス格子が第１格子として形成され、この光源側インデックス格子で反射された光が入射されるスケール格子を反射型の第２格子とし、スケール格子の反射光が入射される受光側インデックス格子を第３格子とする、３格子システムの反射型エンコーダ、（ｂ）（ａ）における第１格子と第２格子の機能を入れ替えて、第１格子をスケール格子とする３格子システムの反射型エンコーダ、（ｃ）スケール格子を反射型の第１格子とし、受光側インデックス格子をスケール格子の反射光が入射される第２格子とする、２格子システムの反射型エンコーダ。
【０００９】
この発明は、光学格子間のアライメント精度が特に厳しく要求される絶対値測定用エンコーダに適用して、大きな効果が得られる。絶対値測定用エンコーダの場合、スケール格子は、ピッチの異なる２トラックの光学格子を備え、受光側インデックス格子は、スケール格子の各トラックに対応してピッチの異なる２トラックの光学格子を備えて構成される。この場合、スケール格子の２トラックは、スケール格子の長手方向に並行して配置されてもよいし、スケール格子の変位基準点を挟んで両側に形成されてもよい。
【００１０】
この発明において、好ましくは、スケール用基板として、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉからなる積層基板（ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板）が用いられる。この場合、板バネ及びスケール格子は、ＳＯＩ基板の上部Ｓｉ層をエッチングして作られ、板バネ及びスケール格子の直下のＳｉＯ２層は、板バネを基板に固定するアンカー部を除いてエッチングにより除去される。
【００１１】
この発明において、スケール用基板として、ガラス基板と半導体基板の接合基板を用いることもできる。この様な接合基板は例えば、シリコン基板の一方の面に、ガラス基板に固定する部分が凸になるように加工して、その凸部をガラス基板に陽極接合して一体化して作られる。この場合、板バネ及びスケール格子は、シリコン基板をエッチングして作られる。
【００１２】
またこの発明において、受光側インデックス格子と受光素子は、ＳＯＩ基板の上部Ｓｉ層は、或いは接合基板のシリコン基板側に形成された受光素子アレイとして一体に形成されてもよいし、或いは、受光素子がＳＯＩ基板の上部Ｓｉ層或いは接合基板のシリコン基板に形成され、受光側インデックス格子はその受光素子の上部にメタル反射膜をパターニングして作られてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
［実施の形態１］
図１は、一実施の形態による３格子システムの光学式エンコーダを示す斜視図である。基板１、光源側インデックス格子２、スケール格子３及び受光側インデックス格子４は、後述するように一枚のスケール用基板を一体に加工して形成されたものである。スケール格子３は、一対の折り返し板バネ５により長手方向両端部が支持されて、基板１から浮いた状態で、基板１の面に平行な測定軸ｘ方向に移動可能に保持されている。スケール格子３の一端部には、スケール格子３と連続して、測定軸ｘ方向の変位が入力されるスピンドル７が一体形成されている。
【００１４】
板バネ５は、アンカー部６が基板１に固定されている他、スケール格子３と同様に基板１から浮いている。光源側インデックス格子２及び受光側インデックス格子４は、スケール格子３を挟んで基板１上に固定的に形成されている。スケール格子３を照射するための光源８は例えばＬＥＤであり、その出力光は光源側インデックス格子２に入射するように配置される。光源側インデックス格子２は、スケール格子３を照射するための二次光源を構成するもので、その反射光をスケール格子３に戻すためにミラー９が配置される。更に、スケール格子３の反射光を受光側インデックス格子４に入射させるべく、ミラー１０が配置される。受光側インデックス格子４は、スケール格子３の反射光から所定の周波数成分を抽出して変位信号を得るためのフィルタである。図では、ミラー９，１０を別々のものとして示しているが、これらは一体のものでもよい。
【００１５】
図２は、スケール格子３の部分の拡大斜視図であり、図３は、図１のアンカー部６を通るＡ−Ａ’線での断面構造を示している。基板１は、この実施の形態の場合、スケール用基板としてのＳｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉの積層基板（ＳＯＩ基板）の下地Ｓｉ基板である。もともとＳＯＩ基板は、図３に示すＳｉ基板１と、この上のＳｉＯ２層２０及びＳｉ層２１の積層構造を有する貼り合わせ基板である。このＳＯＩ基板をリソグラフィとエッチングによって加工して、スケール格子３はＳｉ層２１により、Ｓｉ基板から浮いた状態に形成される。板バネ５も同様に、アンカー部６を除いて、Ｓｉ層２１により基板１から浮いた状態に形成される。アンカー部６は、図３に示すようにＳｉＯ２層２０を残すことにより、基板１に固定された状態になる。
【００１６】
図３の断面に着目して、具体的な製造工程を図４を用いて説明する。図４（ａ）が当初のＳＯＩ基板である。このＳＯＩ基板にリソグラフィによりレジストパターン（図示せず）を形成し、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）によりシリコン層２１をＳｉＯ２層２０に達する深さにエッチングすることにより、図４（ｂ）に示すように、スケール格子３、板バネ５等の各部のパターンを形成する。図２に示すスケール格子３の光学格子を構成する所定ピッチのスリット３０１もこれにより形成される。
【００１７】
続いて、パターン形成されたＳｉ層２１をマスクとして露出したＳｉＯ２層２０を等方性エッチングによりエッチングすると、図４（ｃ）に示すように、マスクパターン幅の狭い箇所ではＳｉＯ２層２０が除去され、アンカー部６のようなマスクパターン幅の広い箇所ではＳｉＯ２層２０がエッチングされずに残る。これにより、スケール格子３及び板バネ５の主要部は、ＳｉＯ２層２０の厚さ相当分、Ｓｉ基板１から浮いた状態に形成される。
【００１８】
なお、スケール格子３の光学格子は、板バネ５の変形の範囲で決まる最大変位量、例えば±３００μｍの測定に必要な範囲に形成されればよい。しかし、図１ではスケール格子３の長手方向両端部まで光学格子が形成された状態を示している。これは、スケール格子３を基板１から浮いた状態に加工するために、スリット部を介してＳｉＯ２エッチングを行う必要性から、光学格子としては必要のない範囲までスリットを配置したものである。
【００１９】
図５は、光源側インデックス格子２の部分を拡大して示す斜視図である。この部分もスケール格子３と同様に、Ｓｉ層２１のＲＩＥにより所定ピッチのスリット２０１が形成され、その後の等方性エッチングにより不要なＳｉＯ２層２０が除去される。この光源側インデックス格子２は、基板１に固定されていることが必要であり、両端部の幅広の部分でＳｉＯ２層２０により基板１に固定された状態とする。
【００２０】
なお、スケール格子３及び光源側インデックス格子２は、共にスリット３０１，２０１を非反射部とし、スリット３０１，２０１の間を光反射部３０２，２０２とする反射型格子である。この場合光反射部３０２，２０２には望ましくは、反射膜が形成されるものとする。
また、スピンドル７の部分は、基板１との間の間隙がＳｉＯ２層２０の厚さ分では、たわみの許容範囲が小さく抑えられる。このため、図１に示したように、スピンドル７の下には、基板１に凹部１１を加工してある。
【００２１】
受光側インデックス格子４の部分は、受光素子が必要であり、従ってここまでに説明したスケール格子部、板バネ部及び光源側インデックス格子部とは異なる受光素子の形成工程が必要である。具体的に受光側インデックス格子４の部分は、光学格子を兼ねる受光素子アレイを用いる方式と、受光素子と光学格子を別々に作る方式とがある。図６は、前者の方式の受光側インデックス格子４の部分の断面構造を示し、図７は後者の場合の受光側インデックス格子４の部分の断面構造を示している。
【００２２】
図６の場合、ＳＯＩ基板のＳｉ層を用いて、所定ピッチのフォトダイオードＰＤのアレイを形成している。このフォトダイオードアレイがそのまま受光側インデックス格子４となる。
図７の場合は、ＳＯＩ基板のＳｉ層に、所定位相の光を検出するフォトダイオードＰＤが形成され、この上を覆うＳｉＯ２膜４０１の上に、所定ピッチで光遮蔽膜４０２をパターン形成して、所定の位相光のみを抽出するインデックス格子４が形成される。
【００２３】
以上のようにこの実施の形態では、３格子が基板１上に一体に形成され、これに対向するように光源８とミラー９，１０を配置して、反射型の光学式エンコーダが構成される。この実施の形態によると、３格子間のアライメントは、リソグラフィの加工精度で決まり、従来のようなセンサヘッド組立時のアライメント調整は要らず、微小変位を高精度に測定できる小型のエンコーダが得られる。
【００２４】
［実施の形態２］
図８は、別の実施の形態による光学式エンコーダである。図１と対応する部分に図１と同じ符号を付して詳細な説明は省く。
図８では、図１におけるスケール格子３と光源側インデックス格子２の配置を逆にしている。３格子システムは通常、光源側の第１格子が所定ピッチの二次光源を作るために用いられ、第２格子がスケール格子として用いられてこれによりスケールピッチを反映した光強度分布を形成し、第３格子は、第２格子により作られる複数周波数成分の光強度分布から所定周波数成分を抽出するフィルタとして機能する。
【００２５】
しかし、第１格子と第２格子を等ピッチで構成する方式では、第１格子をスケール格子として用いることができる。従って、図８のような構成が可能である。図８の場合、板バネ５のアンカー部６は、スケール両端部の間に連続する大きな面積をもって形成している。その他、各部の構造及び製造方法は、先の実施の形態と同様である。従って、先の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２６】
［実施の形態３］
この発明は、スケールに複数トラックを設けて絶対値測定を行う光学式エンコーダにも適用できる。図１の構成を基本として、これを絶対値測定用とした場合のスケール格子３と受光側インデックス格子４の関係を、図９に平面図で示す。スケール格子３は、長手方向に沿って並行するように二つのトラック３Ａ，３Ｂが形成されている。各トラック３Ａ，３Ｂには、λ１，λ２という異なるピッチの光学格子を構成する。これらのトラック３Ａ，３Ｂにそれぞれ対応して、受光側インデックス格子４にも、λ３，λ４という異なるピッチの光学格子４Ａ，４Ｂが形成される。各トラックについて得られる変位出力信号の差分をとることにより、絶対値測定が行われる。
【００２７】
絶対値測定のためには、インクリメンタル測定に比べてより高精度のアライメントが必要である。この実施の形態によると、リソグラフィの加工精度でアライメントが可能であるため、高精度の絶対値エンコーダが得られる。
【００２８】
［実施の形態４］
図１０は、同じく図１の構成を基本として、これを絶対値測定用とした別の実施の形態によるスケール格子３と受光側インデックス格子４の関係を平面図で示す。スケール格子３は、この場合、変位基準点Ｏを挟んで両側に、スケール格子二つのトラック３Ａ，３Ｂが形成されている。各トラック３Ａ，３Ｂには、λ１，λ２という異なるピッチの光学格子が形成される。これらのトラック３Ａ，３Ｂにそれぞれ対応して、受光側インデックス格子４にも、λ３，λ４という異なるピッチの光学格子４Ａ，４Ｂが形成される。この場合も各トラックについて得られる変位出力信号の差分をとることにより、絶対値測定が行われる。
これによっても、先の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２９】
［実施の形態５］
図１１は、同じく図１の構成を基本として、２格子システムの光学式エンコーダに適用した実施の形態である。光源１からの光は光学格子を介さず、直接スケール格子３に照射される。但し、２格子システムの場合、光源光は平行光としてスケール格子３を照射することが必要であり、図では省略したがコリメート用レンズ或いはコリメート用凹面鏡等が用いられる。
【００３０】
［実施の形態６］
図１２は、同じく図１の構成を基本として、折り返し板バネ５のアンカー部６とスケール格子との接続部の配置を、図１とは逆にした実施の形態の基板側レイアウトを示している。それ以外は、図１と変わりない。
これによっても、図１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
［実施の形態７］
ここまでの実施の形態は、全て反射型エンコーダであるが、この発明は透過型エンコーダにも適用可能である。
図１３は、透過型エンコーダの実施の形態の要部構造を切断して示す斜視図である。ここでも図１と対応する部分には図１と同じ符号を付して詳細な説明は省く。実施の形態１と同様にＳＯＩ基板を加工して、基板１上に、光源側インデックス格子２及びスケール格子３が形成される。スケール格子３を保持する板バネも同時に形成されるが、これは図では省略している。
【００３２】
光源側インデックス格子２は、スリット２０１を非反射部、スリット２０１の間を反射部とする反射型格子として用いられる。そして実施の形態１と同様に、光源８からの光は、光源側インデックス格子２で反射され、更にミラー９で反射されて、スケール格子３に照射される。スケール格子３は、スリット３０１を光透過部、スリット３０１の間を非透過部３０２とする透過型格子として用いられる。従って、基板１のスケール格子３の下には、スケール格子３の透過光を通過させる窓１３１が形成されている。スケール格子３の透過光を再度反射させて基板側に戻すミラー１０は基板１の反対側に配置され、このミラー１０の反射光が当たる位置の基板１の裏面に受光側光学格子４が形成される。
【００３３】
この実施の形態の場合、光源側インデックス格子２と受光側インデックス格子４をＳＯＩ基板の表裏に別工程で形成することが必要になる。しかも、基板１の両側にミラーが必要になる。従って、先の実施の形態のような反射型エンコーダに比べると、アライメント精度は低く、エンコーダ全体の厚みは大きくなる。しかし、各部がリソグラフィとエッチングを基本として作られるから、従来のエンコーダに比べると、十分に小型で高性能の小型エンコーダが得られる。
【００３４】
ここまでの実施の形態では、スケール格子３は、ＳＯＩ基板のＳｉ層のスリット加工により光学格子を形成した。この場合、スケール格子３のスリット３０１は、その後スケール格子３の直下のＳｉＯ２層を等方性エッチングにより除去する際の窓としても用いられる。従って、ＲＩＥ工程後、格別のマスク工程を入れることなく、ＳｉＯ２エッチング行って、スケール格子３や板バネ５を基板１から浮いた状態にすることができる。
【００３５】
しかし、スケールの光学格子を例えば、Ｓｉ層に対するスリット加工を行うことなく、ＳＯＩ基板上のメタル反射膜等のパターニングにより形成してもよい。この場合には、スケール格子３が広い面積でＳｉＯ２層２０に対するマスクとなるため、スケール格子３の直下のＳｉＯ２層２０をエッチングするには、ＲＩＥ工程後、板バネ５のアンカー部６やインデックス格子２，４の固定部の側面を覆うマスク工程を付加することが必要になる。そして、マスクで覆われていない部分のＳｉＯ２層を横方向からエッチングすることにより、エッチングに時間はかかるが、スケール格子３や板バネ５の直下のＳｉＯ２層を除去することができる。
光源側インデックス格子２についても同様に、スリット加工によらず、メタル反射膜のパターニングにより形成することができる。
【００３６】
［実施の形態８］
ここまでの実施の形態では、ＳＯＩ基板を用いたが、ＳＯＩ基板に代わって、ガラス基板と半導体基板の接合基板を用いることもできる。その実施の形態の光学式エンコーダの製造工程を、図１４を用いて簡単に説明する。図１４（ａ）に示すシリコン基板１０１を用意し、その一方の面をエッチングして、図１４（ｂ）に示すように固定部となる凸部を形成する。そしてこのシリコン基板１０１を、その凸部で図１４（ｃ）に示すようにガラス基板１０２に陽極接合して一体化して、スケール用基板とする。
【００３７】
この様な接合基板をスケール基板として用いて、図１４（ｄ）に示すように、シリコン基板１０１をエッチング加工することにより、先の各実施の形態で説明したと同様に、スケール格子や板バネ、インデックス格子を形成する。このとき、シリコン基板１０１とガラス基板１０２との接合部をアンカー部として、スケール格子をガラス基板１０１から浮いた状態で板バネにより変位可能に保持した状態を得ることができる。受光素子アレイは、シリコン基板１０１の加工工程とは別に、シリコン基板１０１に形成することができる。図６や図７の実施の形態の構成も、同様にシリコン基板１０１に形成することができる。
【００３８】
この実施の形態によっても、ＳＯＩ基板を用いた先の各実施の形態と同様の効果が得られる。またこの実施の形態のような接合基板を用いると、ガラス基板上に蒸着とエッチングにより信号配線を形成することができるため好ましい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、スケール格子と受光側インデックス格子、更に必要なら光源側インデックス格子が、一枚のスケール用基板をリソグラフィとエッチングを基本として加工して一体形成される。従って、各光学格子のアライメントはリソグラフィにより決まり、従来のようなエンコーダ組立時のアライメント調整が不要であり、微小変位を高精度に測定できる小型エンコーダが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態による光学式エンコーダを示す斜視図である。
【図２】同光学式エンコーダのスケール部の拡大斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】同光学式エンコーダの図３の断面での製造工程図である。
【図５】同光学式エンコーダの光源側インデックス格子部の拡大斜視図である。
【図６】同光学式エンコーダの受光側インデックス格子部の構造を示す断面図である。
【図７】同光学式エンコーダの受光側インデックス格子部の他の構造を示す断面図である。
【図８】他の実施の形態による光学式エンコーダを示す斜視図である。
【図９】他の実施の形態による光学式エンコーダのスケール部と受光側インデックス格子部のレイアウトを示す図である。
【図１０】他の実施の形態による光学式エンコーダのスケール部と受光側インデックス格子部のレイアウトを示す図である。
【図１１】他の実施の形態による光学式エンコーダを示す斜視図である。
【図１２】他の実施の形態による光学式エンコーダの基板上のレイアウトを示す図である。
【図１３】他の実施の形態による光学式エンコーダの要部構造を切断しして示す斜視図である。
【図１４】他の実施の形態による光学式エンコーダの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…光源側インデックス格子、３…スケール格子、４…受光側インデックス格子、５…板バネ、６…アンカー部、７…スピンドル、８…光源、９，１０…ミラー、１１…凹部、２０…ＳｉＯ２層、２１…Ｓｉ層、１０１…シリコン基板、１０２…ガラス基板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical encoder that enables high-precision measurement of minute displacement.
[0002]
[Prior art]
The optical encoder includes a scale grating on which an optical grating having a predetermined pitch is formed and a sensor head slidably attached to the scale grating. The sensor head includes a light source, a light source side index grating for modulating the light source light to irradiate the scale, a light receiving side index grating for filtering light from the scale, and a light receiving element for detecting the transmitted light. Is done.
[0003]
When the scale is a transmission type, the light source side index grating and the light receiving side index grating are arranged on both sides of the scale, so that the sensor head becomes large. On the other hand, when the scale is a reflection type, the light source side index grating and the light receiving side index grating on one side of the scale are arranged, and the size can be reduced as compared with the transmission type.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional optical encoder, the scale grating (second grating), the light source side index grating (first grating), and the light receiving side index grating (third grating) are made separately, so there is a limit to downsizing. It is difficult to make a small and high-precision optical encoder used for measurement of minute displacement. In particular, the alignment of the scale grating, the light source side index grating, and the light receiving side index grating determines the accuracy, and it is not easy to obtain a small encoder having a high tolerance for vibration, temperature fluctuation, and the like.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical encoder capable of highly accurate alignment and therefore capable of measuring a minute displacement with high accuracy.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
An optical encoder according to the present invention includes a substrate, a scale grating held on the substrate by a leaf spring and arranged to be movable in a measurement axis direction parallel to the substrate, and light to the scale grating. A light source for irradiating, a light receiving side index grating formed on the substrate for extracting a predetermined frequency component from the light whose intensity is modulated by the scale grating, and light extracted by the light receiving side index grating are detected. A light-receiving element formed on the substrate, and the substrate, the leaf spring, the scale grating, and the light-receiving side index grating are integrally formed by lithography and etching of the scale substrate. Features.
[0007]
According to the present invention, a scale grating, a plate spring and a light receiving side index grating for holding the scale grating in a floating state on the substrate, and further, if necessary, a light source side index grating are used for lithography and etching a single scale substrate. Are integrally formed. Therefore, the alignment of each optical grating is determined by lithography, and alignment adjustment at the time of encoder assembly as in the prior art is unnecessary, and a small encoder capable of measuring a minute displacement with high accuracy is obtained.
[0008]
Specific examples of the preferred optical encoder to which the present invention is applied include the following. (A) A reflection type light source side index grating on which the output light of the light source is incident is formed on the substrate as a first grating, and the scale grating on which the light reflected by the light source side index grating is incident is a reflection type first grating. Reflective encoder of a three-grid system with two gratings and a light-receiving side index grating on which reflected light from the scale grating is incident as a third grating, and the functions of the first and second gratings in (b) and (a) are switched. A reflective encoder of a three-grating system using the first grating as a scale grating, and (c) a second grating on which the reflected light of the scale grating is incident as a light-receiving side index grating, and the scale grating as a reflective first grating. A reflective encoder of a two-grid system.
[0009]
The present invention can be applied to an encoder for measuring an absolute value, in which alignment accuracy between optical gratings is particularly strict, and a great effect can be obtained. In the case of an absolute value measuring encoder, the scale grating includes two-track optical gratings having different pitches, and the light receiving side index grating includes two-track optical gratings having different pitches corresponding to the respective tracks of the scale grating. Is done. In this case, the two tracks of the scale grid may be arranged in parallel with the longitudinal direction of the scale grid, or may be formed on both sides of the scale grid displacement reference point.
[0010]
In the present invention, a laminated substrate (SOI (Silicon On Insulator) substrate) made of Si / SiO 2 / Si is preferably used as the scale substrate. In this case, the leaf spring and the scale lattice are made by etching the upper Si layer of the SOI substrate, and the SiO2 layer immediately below the leaf spring and the scale lattice is removed by etching except for the anchor portion that fixes the leaf spring to the substrate. Is done.
[0011]
In the present invention, a bonding substrate of a glass substrate and a semiconductor substrate can be used as the scale substrate. Such a bonded substrate is produced, for example, by processing so that a portion fixed to the glass substrate is convex on one surface of the silicon substrate, and anodically bonding the convex portion to the glass substrate. In this case, the leaf spring and the scale grating are made by etching a silicon substrate.
[0012]
In the present invention, the light receiving side index grating and the light receiving element may be formed integrally with the upper Si layer of the SOI substrate or as a light receiving element array formed on the silicon substrate side of the bonding substrate. May be formed on the upper Si layer of the SOI substrate or the silicon substrate of the bonding substrate, and the light receiving side index grating may be formed by patterning a metal reflective film on the light receiving element.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a perspective view showing an optical encoder of a three-grating system according to an embodiment. The substrate 1, the light source side index grating 2, the scale grating 3, and the light receiving side index grating 4 are formed by integrally processing a single scale substrate as will be described later. The scale lattice 3 is supported at both ends in the longitudinal direction by a pair of folded leaf springs 5 and is held so as to be movable in the direction of the measurement axis x parallel to the surface of the substrate 1 while being floated from the substrate 1. A spindle 7 to which displacement in the measurement axis x direction is input is integrally formed at one end of the scale grating 3 continuously with the scale grating 3.
[0014]
The leaf spring 5 floats from the substrate 1 in the same manner as the scale lattice 3 except that the anchor portion 6 is fixed to the substrate 1. The light source side index grating 2 and the light receiving side index grating 4 are fixedly formed on the substrate 1 with the scale grating 3 interposed therebetween. The light source 8 for irradiating the scale grating 3 is, for example, an LED, and its output light is arranged so as to enter the light source side index grating 2. The light source side index grating 2 constitutes a secondary light source for irradiating the scale grating 3, and a mirror 9 is arranged to return the reflected light to the scale grating 3. Further, a mirror 10 is arranged so that the reflected light of the scale grating 3 is incident on the light receiving side index grating 4. The light receiving side index grating 4 is a filter for obtaining a displacement signal by extracting a predetermined frequency component from the reflected light of the scale grating 3. In the figure, the mirrors 9 and 10 are shown as separate ones, but they may be integrated.
[0015]
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a portion of the scale lattice 3, and FIG. 3 shows a cross-sectional structure taken along the line AA ′ passing through the anchor portion 6 of FIG. In this embodiment, the substrate 1 is a base Si substrate of a Si / SiO 2 / Si laminated substrate (SOI substrate) as a scale substrate. Originally, the SOI substrate is a bonded substrate having a laminated structure of the Si substrate 1 shown in FIG. 3 and the SiO 2 layer 20 and Si layer 21 thereon. The SOI substrate is processed by lithography and etching, and the scale lattice 3 is formed by the Si layer 21 so as to float from the Si substrate. The leaf spring 5 is also formed in a state of being lifted from the substrate 1 by the Si layer 21 except for the anchor portion 6. The anchor portion 6 is fixed to the substrate 1 by leaving the SiO2 layer 20 as shown in FIG.
[0016]
Focusing on the cross section of FIG. 3, a specific manufacturing process will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows the original SOI substrate. A resist pattern (not shown) is formed on the SOI substrate by lithography, and the silicon layer 21 is etched to a depth reaching the SiO 2 layer 20 by RIE (Reactive Ion Etching), as shown in FIG. 4B. The pattern of each part such as the scale lattice 3 and the leaf spring 5 is formed. This also forms slits 301 having a predetermined pitch that constitute the optical grating of the scale grating 3 shown in FIG.
[0017]
Subsequently, when the exposed SiO2 layer 20 is etched by isotropic etching using the patterned Si layer 21 as a mask, the SiO2 layer 20 is removed at a portion where the mask pattern width is narrow as shown in FIG. The SiO 2 layer 20 remains without being etched at a portion having a large mask pattern width such as the anchor portion 6. As a result, the main portions of the scale lattice 3 and the leaf spring 5 are formed in a state of floating from the Si substrate 1 by an amount corresponding to the thickness of the SiO 2 layer 20.
[0018]
Note that the optical grating of the scale grating 3 may be formed in a range necessary for measurement of a maximum displacement determined by the deformation range of the leaf spring 5, for example, ± 300 μm. However, FIG. 1 shows a state in which the optical grating is formed up to both ends in the longitudinal direction of the scale grating 3. In this case, in order to process the scale grating 3 in a state of being lifted from the substrate 1, slits are arranged to the extent that the optical grating is not necessary because of the need to perform SiO2 etching through the slit portion.
[0019]
FIG. 5 is an enlarged perspective view showing a portion of the light source side index grating 2. Similarly to the scale lattice 3, the slits 201 having a predetermined pitch are formed by RIE of the Si layer 21, and unnecessary SiO2 layer 20 is removed by isotropic etching thereafter. The light source side index grating 2 needs to be fixed to the substrate 1 and is in a state of being fixed to the substrate 1 by the SiO 2 layer 20 at the wide portions at both ends.
[0020]
The scale grating 3 and the light source side index grating 2 are both reflective gratings in which the slits 301 and 201 are non-reflective parts and the light reflecting parts 302 and 202 are between the slits 301 and 201. In this case, a reflection film is preferably formed on the light reflecting portions 302 and 202.
In addition, when the gap between the spindle 7 and the substrate 1 is equal to the thickness of the SiO 2 layer 20, the allowable range of deflection is kept small. Therefore, as shown in FIG. 1, a recess 11 is processed in the substrate 1 below the spindle 7.
[0021]
The light receiving side index grating 4 requires a light receiving element. Therefore, a light receiving element forming process different from the scale grating part, the leaf spring part, and the light source side index grating part described so far is required. Specifically, the light receiving side index grating 4 includes a method using a light receiving element array that also serves as an optical grating and a method of separately forming a light receiving element and an optical grating. FIG. 6 shows a cross-sectional structure of the light receiving side index grating 4 in the former method, and FIG. 7 shows a cross sectional structure of the light receiving side index grating 4 in the latter case.
[0022]
In the case of FIG. 6, an array of photodiodes PD having a predetermined pitch is formed using the Si layer of the SOI substrate. This photodiode array becomes the light receiving side index grating 4 as it is.
In the case of FIG. 7, a photodiode PD for detecting light of a predetermined phase is formed on the Si layer of the SOI substrate, and a light shielding film 402 is patterned at a predetermined pitch on the SiO2 film 401 covering the photodiode PD. The index grating 4 for extracting only predetermined phase light is formed.
[0023]
As described above, in this embodiment, the three gratings are integrally formed on the substrate 1, and the light source 8 and the mirrors 9 and 10 are arranged so as to be opposed to each other, so that a reflective optical encoder is configured. . According to this embodiment, the alignment between the three gratings is determined by the lithography processing accuracy, and the alignment adjustment at the time of assembling the sensor head is not required, and a small encoder capable of measuring a minute displacement with high accuracy is obtained. .
[0024]
[Embodiment 2]
FIG. 8 shows an optical encoder according to another embodiment. Parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
In FIG. 8, the arrangement of the scale grating 3 and the light source side index grating 2 in FIG. 1 is reversed. In a three-grating system, the first grating on the light source side is usually used to create a secondary light source having a predetermined pitch, and the second grating is used as a scale grating, thereby forming a light intensity distribution reflecting the scale pitch, The third grating functions as a filter that extracts a predetermined frequency component from the light intensity distribution of a plurality of frequency components created by the second grating.
[0025]
However, in the system in which the first grating and the second grating are configured at an equal pitch, the first grating can be used as a scale grating. Therefore, a configuration as shown in FIG. 8 is possible. In the case of FIG. 8, the anchor portion 6 of the leaf spring 5 is formed with a large continuous area between both ends of the scale. In addition, the structure and manufacturing method of each part are the same as in the previous embodiment. Therefore, the same effect as the previous embodiment can be obtained.
[0026]
[Embodiment 3]
The present invention can also be applied to an optical encoder that provides a plurality of tracks on a scale and performs absolute value measurement. FIG. 9 is a plan view showing the relationship between the scale grating 3 and the light-receiving side index grating 4 when the structure shown in FIG. The scale grating 3 has two tracks 3A and 3B formed in parallel along the longitudinal direction. In each of the tracks 3A and 3B, optical gratings having different pitches λ1 and λ2 are formed. Corresponding to these tracks 3A and 3B, optical gratings 4A and 4B having different pitches of λ3 and λ4 are formed on the light receiving side index grating 4 as well. The absolute value is measured by taking the difference between the displacement output signals obtained for each track.
[0027]
For absolute value measurement, higher-precision alignment is required than for incremental measurement. According to this embodiment, since alignment is possible with lithography processing accuracy, a highly accurate absolute value encoder can be obtained.
[0028]
[Embodiment 4]
FIG. 10 is a plan view showing the relationship between the scale grating 3 and the light receiving side index grating 4 according to another embodiment, which is based on the configuration of FIG. In this case, the scale grid 3 has two tracks 3A and 3B on both sides of the displacement reference point O. Optical gratings with different pitches λ1 and λ2 are formed on the tracks 3A and 3B. Corresponding to these tracks 3A and 3B, optical gratings 4A and 4B having different pitches of λ3 and λ4 are formed on the light receiving side index grating 4 as well. In this case as well, absolute value measurement is performed by taking the difference between the displacement output signals obtained for each track.
This also provides the same effect as in the previous embodiment.
[0029]
[Embodiment 5]
FIG. 11 is an embodiment applied to an optical encoder of a two-grid system based on the configuration of FIG. The light from the light source 1 is directly applied to the scale grating 3 without passing through the optical grating. However, in the case of a two-grating system, it is necessary to irradiate the scale grating 3 as parallel light, and although not shown in the figure, a collimating lens or a collimating concave mirror is used.
[0030]
[Embodiment 6]
FIG. 12 shows a substrate-side layout according to an embodiment in which the arrangement of the connection portions between the anchor portions 6 of the folded leaf spring 5 and the scale lattice is reversed from that in FIG. . Other than that, it is the same as FIG.
This also provides the same effect as that of the embodiment of FIG.
[0031]
[Embodiment 7]
The embodiments so far are all reflective encoders, but the present invention is also applicable to transmissive encoders.
FIG. 13 is a perspective view showing a cut-away main structure of the transmission encoder. Here, the same reference numerals as those in FIG. 1 are attached to portions corresponding to those in FIG. The SOI substrate is processed in the same manner as in the first embodiment, and the light source side index grating 2 and the scale grating 3 are formed on the substrate 1. A leaf spring for holding the scale lattice 3 is also formed at the same time, but this is omitted in the figure.
[0032]
The light source side index grating 2 is used as a reflective grating having the slit 201 as a non-reflective portion and the space between the slits 201 as a reflective portion. As in the first embodiment, the light from the light source 8 is reflected by the light source side index grating 2, further reflected by the mirror 9, and irradiated on the scale grating 3. The scale grating 3 is used as a transmission type grating in which the slit 301 is a light transmission part and the gap 301 is a non-transmission part 302. Therefore, a window 131 that allows the light transmitted through the scale grating 3 to pass therethrough is formed under the scale grating 3 of the substrate 1. The mirror 10 that reflects the transmitted light of the scale grating 3 again and returns it to the substrate side is disposed on the opposite side of the substrate 1, and the light receiving side optical grating 4 is formed on the back surface of the substrate 1 at the position where the reflected light of the mirror 10 hits. The
[0033]
In the case of this embodiment, it is necessary to form the light source side index grating 2 and the light receiving side index grating 4 on the front and back of the SOI substrate in separate steps. In addition, mirrors are required on both sides of the substrate 1. Therefore, the alignment accuracy is lower than that of the reflective encoder as in the previous embodiment, and the thickness of the entire encoder is increased. However, since each part is made based on lithography and etching, a sufficiently small and high-performance small encoder can be obtained as compared with a conventional encoder.
[0034]
In the embodiments so far, the scale grating 3 is an optical grating formed by slit processing of the Si layer of the SOI substrate. In this case, the slit 301 of the scale lattice 3 is also used as a window when the SiO2 layer immediately below the scale lattice 3 is subsequently removed by isotropic etching. Therefore, after the RIE process, the scale lattice 3 and the leaf spring 5 can be lifted from the substrate 1 by performing SiO 2 etching without any special mask process.
[0035]
However, the optical grating of the scale may be formed by patterning a metal reflective film or the like on the SOI substrate without performing slit processing on the Si layer, for example. In this case, since the scale lattice 3 serves as a mask for the SiO 2 layer 20 in a large area, the etching of the SiO 2 layer 20 immediately below the scale lattice 3 is performed after the RIE process by the anchor portion 6 or the index lattice of the leaf spring 5. It is necessary to add a mask process for covering the side surfaces of the fixed portions 2 and 4. Then, by etching the portion of the SiO2 layer that is not covered with the mask from the lateral direction, the etching takes time, but the SiO2 layer immediately below the scale lattice 3 and the leaf spring 5 can be removed.
Similarly, the light source side index grating 2 can also be formed by patterning the metal reflecting film without depending on the slit processing.
[0036]
[Embodiment 8]
Although the SOI substrate is used in the embodiments so far, a bonded substrate of a glass substrate and a semiconductor substrate can be used instead of the SOI substrate. The manufacturing process of the optical encoder of the embodiment will be briefly described with reference to FIG. A silicon substrate 101 shown in FIG. 14A is prepared, and one surface of the silicon substrate 101 is etched to form a convex portion as a fixing portion as shown in FIG. Then, the silicon substrate 101 is anodically bonded and integrated with the glass substrate 102 at the convex portion as shown in FIG. 14C to obtain a scale substrate.
[0037]
By using such a bonding substrate as a scale substrate and etching the silicon substrate 101 as shown in FIG. 14 (d), the scale lattice and the leaf spring are the same as described in the previous embodiments. , Forming an index lattice. At this time, it is possible to obtain a state in which the scale lattice is floated from the glass substrate 101 and is displaceably held by a leaf spring with the joint portion between the silicon substrate 101 and the glass substrate 102 as an anchor portion. The light receiving element array can be formed on the silicon substrate 101 separately from the processing step of the silicon substrate 101. 6 and 7 can be formed on the silicon substrate 101 in the same manner.
[0038]
Also in this embodiment, the same effects as those in the previous embodiments using the SOI substrate can be obtained. In addition, it is preferable to use a bonding substrate as in this embodiment because a signal wiring can be formed on a glass substrate by vapor deposition and etching.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the scale grating, the light receiving side index grating, and if necessary, the light source side index grating are integrally formed by processing one scale substrate on the basis of lithography and etching. Therefore, the alignment of each optical grating is determined by lithography, and alignment adjustment at the time of encoder assembly as in the prior art is unnecessary, and a small encoder capable of measuring a minute displacement with high accuracy is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an optical encoder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a scale portion of the optical encoder.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG.
4 is a manufacturing process diagram of the optical encoder in a cross section in FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is an enlarged perspective view of a light source side index grating portion of the optical encoder.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a light receiving side index grating portion of the optical encoder.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another structure of the light receiving side index grating portion of the optical encoder.
FIG. 8 is a perspective view showing an optical encoder according to another embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a layout of a scale portion and a light receiving side index grating portion of an optical encoder according to another embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a layout of a scale portion and a light receiving side index grating portion of an optical encoder according to another embodiment.
FIG. 11 is a perspective view showing an optical encoder according to another embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing a layout on a substrate of an optical encoder according to another embodiment.
FIG. 13 is a perspective view showing a cutaway structure of a main part of an optical encoder according to another embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an optical encoder according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 2 ... Light source side index grating | lattice, 3 ... Scale grating | lattice, 4 ... Light receiving side index grating | lattice, 5 ... Leaf spring, 6 ... Anchor part, 7 ... Spindle, 8 ... Light source, 9, 10 ... Mirror, 11 ... Recessed part 20 ... SiO2 layer, 21 ... Si layer, 101 ... silicon substrate, 102 ... glass substrate.

Claims

A substrate,
A scale lattice that is held on the substrate by a leaf spring and arranged to be movable in the direction of the measurement axis parallel to the substrate;
A light source for irradiating the scale grating with light;
A light receiving side index grating formed on the substrate for extracting a predetermined frequency component from the light intensity-modulated by the scale grating;
A light receiving element formed on the substrate for detecting light extracted by the light receiving side index grating,
The optical encoder, wherein the substrate and the plate spring, the scale grating, and the light receiving side index grating formed on the substrate are integrally formed by lithography and etching of the scale substrate.

A reflective light source side index grating on which the output light of the light source is incident is formed on the substrate as a first grating, and the scale grating on which the light reflected by the light source side index grating is incident is a reflective first grating. 2. The optical encoder according to claim 1, wherein a reflection type encoder of a three-grating system is configured by using two gratings and using the light receiving side index grating on which reflected light of the scale grating is incident as a third grating. 3. .

The scale grating is a reflection type first grating, the light receiving side index grating is a third grating, and the reflection type first light is incident between the scale grating and the light receiving side index grating. 2. The optical encoder according to claim 1, wherein two gratings are formed to constitute a reflective encoder of a three-grating system.

A reflective encoder of a two-grating system is configured, wherein the scale grating is a reflective first grating, and the light-receiving side index grating is a second grating on which reflected light of the scale grating is incident. The optical encoder according to claim 1.

The scale grating includes two-track optical gratings having different pitches, and the light-receiving side index grating includes two-track optical gratings having different pitches corresponding to the respective tracks of the scale grating, and is an absolute value measuring encoder. The optical encoder according to claim 1, wherein the optical encoder is configured as follows.

6. The optical encoder according to claim 5, wherein the two tracks of the scale grating are arranged in parallel with the longitudinal direction of the scale grating.

6. The optical encoder according to claim 5, wherein the two tracks of the scale grating are formed on both sides of the displacement reference point of the scale grating.

8. The optical encoder according to claim 1, wherein the scale substrate is a laminated substrate made of Si / SiO2 / Si.

The leaf spring and the scale lattice are made by etching the upper Si layer of the laminated substrate, and the SiO2 layer immediately below the leaf spring and the scale lattice is etched except for an anchor portion that fixes the leaf spring to the substrate. The optical encoder according to claim 8, wherein the optical encoder is removed by the following.

9. The optical encoder according to claim 8, wherein the light receiving side index grating and the light receiving element are integrally formed as a light receiving element array formed in an upper Si layer of the laminated substrate.

9. The optical system according to claim 8, wherein the light receiving element is formed on an upper Si layer of the multilayer substrate, and the light receiving side index grating is formed by patterning a metal reflective film on the light receiving element. Type encoder.

The optical encoder according to claim 1, wherein the scale substrate is a bonded substrate of a glass substrate and a semiconductor substrate.

13. The optical encoder according to claim 12, wherein the leaf spring and the scale grating are formed by etching a semiconductor substrate of the bonding substrate.

13. The optical encoder according to claim 12, wherein the light receiving side index grating and the light receiving element are integrally formed as a light receiving element array formed on a semiconductor substrate of the bonding substrate.

13. The optical system according to claim 12, wherein the light receiving element is formed on a semiconductor substrate of the bonding substrate, and the light receiving side index grating is formed by patterning a metal reflection film on the light receiving element. Encoder.