JP4667629B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型でコンパクトに構成することができ、また、精度良く移動物体の位置等を検出することのできる光学式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動物体の回転あるいは移動量を検出する検出装置はロータリエンコーダあるいはリニアエンコーダと呼ばれ、一般に、光源および受光素子の間に移動格子板および固定格子板が配置され、これらの格子板に形成されている移動格子および固定格子を通過して光源から受光素子に到る透過光の光量変化に基づき、移動格子板と一体となって移動する移動物体の移動量を検出するように構成されている。
【０００３】
この構成の光学式エンコーダの分解能は格子ピッチにより決まるので、高分解能のエンコーダを実現するためには格子ピッチを小さくすればよい。しかし、格子ピッチを小さくするためには移動格子板と固定格子板の隙間もそれに合わせて小さくしないと、光の漏れによりＳ／Ｎ比が低下する。また、移動格子の移動に伴う格子間の隙間変動も小さくしないとＳ／Ｎ比が低下する。
【０００４】
格子間の隙間を小さくすること、および隙間変動の抑制には限界があるので、光の漏れおよび隙間変動に起因するＳ／Ｎ比の低下を回避するためには、平行光線を用いる方法が有効である。光源からの発散光を平行光とするにはコリメートレンズ等のレンズ光学系を用いればよく、このようなレンズ光学系を備えた光学式エンコーダも知られている。しかし、光学式エンコーダにおいて一般的に使用されている光源はＬＥＤであり、ＬＥＤは点光源ではないので、高品位の平行光線を得ることが困難である。また、レンズ光学系を追加するために、その分、装置寸法が大きくなってしまう。
【０００５】
一方、光の回折現象を利用して高分解能の光学式エンコーダを実現する方法が知られている。この方法によるエンコーダでは、半導体レーザー等の点光源から出射されレンズにより平行光化された光を微小ピッチの格子を透過させ、平行光が格子を透過する際に発生する回折と干渉に起因する受光素子での受光量の変化に基づき、移動物体の移動量を検出している。この方法を採用した場合には、上記構成のエンコーダに比べて格子ピッチを小さくでき、且つ、干渉による光の分布が正弦波に近いので、精度の良い電気分割ができる。しかしながら、格子自体および装置機構に高精度が求められるので、装置価格が高く、また、光源として用いている半導体レーザーの信頼性が低いという欠点がある。
【０００６】
次に、光学式エンコーダとしては、レンズを通して、移動格子の像を格子状に配列した受光素子に結像する空間フィルターエンコーダが本願人による特開平６−１１８０８８号公報において提案されている。この方法では、フィルター効果によって、格子移動によって生ずる信号の高調波成分を打ち消すことができるので、正弦波に近い信号を得ることができ、従って、分割器を用いて分解能を高めることが可能である。しかし、格子ピッチを小さくした場合には受光光像のコントラストを高めることが困難であり、また、レンズ光学系を用いるために装置寸法が大きくなるという欠点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、「グレーティングの像形成解析と変位計測へのＩＴＳの応用」（ＳＰＩＥ、第１３６巻、光学の計量学への応用に関する第１回欧州会議（１９７７）、第３２５〜３３２頁）（"ANALYSIS OF GRATING IMAGING AND ITS APPLICATIONTO DISPLACEMENT METROLOGY",SPIE Vol.136 1stEuropean Congress on Optics Applied to Metrology （1977）, pp.325〜332）には、３枚格子の理論と変位測定への応用について報告されている。この報告書に記載されているように、インデックス格子板と反射格子板とを対峙させ、インデックス格子板の後ろに発光源と受光素子を配置し、光源から出射されインデックス格子板のインデックス格子を透過して反射格子板の反射格子で反射され、再びインデックス格子を透過した光を受光素子で検出することにより、反射格子の移動量を検出できる。
【０００８】
この構成によれば、インデックス格子と反射格子の間隔を大きくしてもコントラストに影響が及ばず、また、これらの格子の隙間変動に起因するコントラストへの影響も殆どない。
【０００９】
したがって、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づけば、固定格子および移動格子の間隔の広狭あるいは当該間隔の変動に影響を受けることのない高分解能の光学式エンコーダを実現可能である。
【００１０】
しかしながら、光学式エンコーダに適用するに当たっては次のような解決すべき課題がある。
【００１１】
まず、この構造のエンコーダでは、インデックス格子の後ろに、発光源と受光素子を配置する必要あるので、構造が複雑化し、光量検出効率も低いという問題点がある。また、エンコーダとして用いる場合には、検出対象の移動物体の移動方向を検出するために少なくとも２つの受光素子を用いて相互に位相が１／４位相分だけずれた信号を作り出すことが必要である。しかし、インデックス格子の後ろに、発光源および少なくとも２個の受光素子を配置し、これらの受光素子から１／４位相分だけ位相がずれた信号を取り出す構成を実現することは困難である。
【００１２】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、小型でコンパクトに構成でき、しかも、移動速度および移動方向（移動位置）を検出することのできる光学式エンコーダを実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、共通の半導体基板に格子と受光素子を作り込むことにより、移動物体の移動方向を検出するために必要な１／４位相だけ位相ずれしたＡ相およびＢ相の信号を生成可能とし、以て、反射格子および移動格子の間隔の広狭および当該間隔の変動に影響を受けることなく移動物体の移動量を検出するための小型でコンパクトな光学式エンコーダを案出するに到ったのである。
【００１４】
すなわち、本発明は、光源と、一定ピッチあるいは角度で反射格子が複数本形成された反射格子板と、一定ピッチあるいは角度で光透過格子が複数本形成された移動格子板と、前記光源から出射され前記光透過格子を透過して前記反射格子で反射された反射光像を受光する受光素子とを有する光学式エンコーダであって、前記光透過格子および前記受光素子が共通の半導体基板に作り込まれており、前記受光素子は一定ピッチあるいは角度で形成された格子であり、各受光素子から得られる検出信号に基づき、前記移動格子板および前記反射格子板の相対移動方向および速度（移動位置）を検出するようになっており、前記光透過格子は、前記半導体基板に形成した光通過用スリット、あるいは、当該半導体基板に形成した光透過用の薄膜部分であり、前記半導体基板には、前記受光素子が所定間隔で配列された第１の領域と、前記光透過格子が所定間隔で配列された第２の領域と、前記受光素子が所定間隔で配列された第３の領域とが形成されており、前記第１の領域および前記第３の領域は、前記第２の領域を挟んで前記相対移動方向と直交する方向に対称となるように形成されており、当該第１および第３の各領域は、前記受光素子として第１ないし第４の受光素子を含み、これらの受光素子が、第１、第４、第３および第２の受光素子の順序で繰り返し配列されており、隣接する受光素子の間隔は、それらの受光素子から得られる検出信号の位相が相互に２７０度ずれるように設定されている。
【００１５】
このようにすれば、第１ないし第４の受光素子の配列から、Ａ相信号、Ｂ相の反転信号、Ａ相の反転信号、Ｂ相信号が得られるので、これらに基づき、誤差成分の少ないエンコード出力を得ることができる。特に、第１、第３の領域（受光素子の形成領域）を第２の領域（光透過格子の形成領域）に対して相対移動方向と直交する方向に対称に形成しているため、反射格子板に対する半導体基板の位置決め誤差に起因して、反射格子板の反射格子に対して半導体基板の受光素子が傾いた状態になっても、受光素子から得られる検出信号の位相変化等を抑制できる。従って、精度の高い検出が可能になる。
【００１６】
また、このように、Ａ相およびＢ相信号と共に、それらの反転信号が得られる場合には、Ａ相信号およびその反転信号から第１の差動信号を生成すると共に、Ｂ相信号およびその反転信号から第２の差動信号を生成する信号処理回路を用いることにより、誤差成分の少ないＡ相およびＢ信号を生成できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、３枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダの例およびこれに対する本発明の適用例を説明する。
【００１８】
図１（ａ）〜（ｃ）は３枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダの概略構成を示す図である。これらの図を参照して説明すると、３枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダ１は、光源としてのＬＥＤ２と、移動格子および受光素子が作り込まれている半導体移動板３と、反射型の固定格子板４と、制御回路部５から基本的に構成されている。半導体移動板３には、後述するように、一定のピッチで一定の幅の縦縞状の光透過用格子３１と受光素子としてのホトダイオード３２（図１（ｃ）における網かけ部分）とが平面方向に交互に形成されている。固定格子板４には受光側の表面４ａに、一定のピッチで一定の幅の縦縞状の反射格子４１が平面方向に配列されている。
【００１９】
制御回路部５は、ホトダイオード３２の検出信号に基づき１／４位相分だけ位相のずれたＡ相信号およびＢ相信号を形成する信号処理部５１と、これらＡ相およびＢ相信号に基づき半導体移動板３の移動速度、移動方向等の移動情報を演算するための演算部５２と、演算結果を表示する表示部５３と、ＬＥＤ２の駆動をフィードバック制御するランプ駆動部５４とを備えている。
【００２０】
なお、上記の演算部５２、表示部５３、ランプ駆動部５４は制御回路部５に内蔵せずに、外部回路として接続してもよいことは勿論である。
【００２１】
図２には半導体移動板３の光透過用スリット形成部分およびホトダイオード形成部分の断面構成を示してある。この半導体移動板３はシリコン基板等の半導体基板３３を備え、この半導体基板３３には、図２（ｂ）から分かるように、一定のピッチで一定幅をした縦縞模様の光透過型移動格子３１がエッチ除去により形成されている。
【００２２】
図２（ａ）から分かるように、半導体基板３３における各移動格子３１の間に残っている半導体基板の部分には、当該半導体基板部分３４と、この表面からボロンをドープすることにより形成したボロンドープ層３５から構成されるｐｎ接合のホトダイオード３２が作り込まれている。勿論、これ以外の方法によりホトダイオード３２を半導体基板３３に作り込んでもよいことは勿論である。
【００２３】
各ホトダイオード３２のボロンドープ層３５にはアルミニウム製の電極層３６が接続されており、半導体基板３３の側には同じくアルミニウム製の共通電極層３７が接続されている。電極素材としてはアルミニウム以外の導電性素材を用いることができることは勿論である。
【００２４】
電極層３６と半導体基板３３の間はシリコン酸化膜からなる絶縁層３８により絶縁されている。また、半導体基板３３の露出表面は耐久性を確保するためにシリコン酸化膜によって覆われている。同様に、ボロンドープ層３５の表面もシリコン酸化膜によって覆われている。
【００２５】
このように構成したリニアエンコーダ１において、半導体移動板３を測定対象物（図示せず）と一体化させて、光軸Ｌに直交する方向で、しかも、スリットおよびホトダイオードの配列方向に移動させると、ＬＥＤ２からの出射光は、まず、半導体移動板３の背面を照射し、当該半導体移動板３に形成されている光透過用格子３１を通過して反射型固定格子板４を格子縞状に照射する。
【００２６】
固定格子板４にも一定のピッチの同一幅の反射格子４１が形成されているので、当該固定格子板４を照射した光は各反射格子４１に照射した成分のみが反射される。反射格子像は再び半導体移動板３を照射し、一定のピッチの一定幅で形成されている縦縞状ホトダイオード３２によって受光される。このように、上記の構成では、半導体移動板３に形成された縦縞状の光透過用格子３１とホトダイオード３２とが２枚の格子板として機能する。従って、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、ホトダイオード３２においては、反射格子４１と移動格子（３１、３２）の相対移動に対応して受光量が正弦波状に変化する。よって、ホトダイオード３２の光電流に基づき相対移動速度に対応したパルス信号を得ることができ、当該パルス信号のパルスレートに基づき相対移動速度を演算できる。
【００２７】
また、図１（ａ）に示すように、奇数番目のホトダイオードの出力の総和に基づき、例えば、Ａ相信号を生成し、偶数番目のホトダイオードの出力の総和に基づき、１／４λだけ位相のずれたＢ相信号を生成することも可能である。これらの２相の信号に基づき、移動格子の移動方向を判別できる。
【００２８】
このように、上記の光学式リニアエンコーダ１においては、移動格子および受光素子を半導体製造技術により制作しているので、微小ピッチの格子を製造することができる。よって、高分解能のエンコーダを実現できる。
【００２９】
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。
【００３０】
さらには、３枚格子の理論により、反射格子と移動格子の隙間の広狭および、当該隙間の変動が分解能に悪影響を及ぼすことがないので、これらが形成されている部材の取り付け精度を確保するための調整作業を簡略化でき、また、取り付け場所の制約が少なくなる。
【００３１】
これに加えて、反射格子と移動格子の間隔を広くできるので、例えば反射格子の側を保護ケース等に収納して耐環境性を高めることも可能となる等の利点がある。
【００３２】
（受光素子および光透過格子の配列）
図４には、半導体移動板３に形成される縦縞状の光透過用格子３１およびホトダイオード３２の別の配列例を示してあり、いずれも、光透過用格子３１とホトダイオード３２が交互に配列されている例である。
【００３３】
図４（ａ）に示す例では、半導体基板３Ａに、縦縞状の光透過用格子および縦縞状のホトダイオードが交互に形成された４つの領域３０１〜３０４が形成されている。ここで、領域３０１のホトダイオード群からはＡ相信号が得られ、この領域３０１のホトダイオード群から得られる検出信号に対して位相が９０度ずれるように、領域３０２のホトダイオード群の位置が決定され、当該ホトダイオード群からはＢ相信号が得られる。
【００３４】
また、領域３０１の下側の位置している領域３０３のホトダイオード群は、領域３０１のホトダイオード群から得られる検出信号に対して位相が１８０度ずれた検出信号が得られるように、当該ホトダイオード群の位置が決定されている。従って、領域３０３のホトダイオード群からはＡ相の反転信号が得られる。同様に、当該領域３０３の横方に位置している領域３０４のホトダイオード群からはＢ相の反転信号が得られるように、その配置が規定されている。
【００３５】
図４（ｂ）に示す例では、半導体基板３Ｂに、当該基板の移動方向に直交する方向に４列の領域４０１〜４０４が形成されている。最も上の領域４０１には、基板移動方向に向けて一定のピッチで縦縞状の光透過用格子と縦縞状のホトダイオードとが交互に形成されている。領域４０２は領域４０１に対して、ホトダイオードの検出信号の位相が９０度ずれるような配置関係とされている。この領域４０２の下側の領域４０３は一番上の領域４０１に対して、ホトダイオードの検出信号の位相が１８０度ずれるような配置関係とされている。さらに、領域４０４は領域４０２に対して、ホトダイオードの検出信号の位相が１８０度ずれるような配置関係とされている。
【００３６】
この結果、領域４０１のホトダイオード群からは例えば、Ａ相信号が得られ、領域４０２のホトダイオード群からはＢ相信号が得られ、領域４０３のホトダイオード群からはＡ相の反転信号が得られ、領域４０４のホトダイオード群からはＢ相の反転信号が得られる。
【００３７】
図４（ｃ）、（ｄ）に示す例では、半導体基板３Ｃに、その移動方向（横方向）に沿って一定の間隔で複数の領域、図においては３つの領域５０１〜５０３が形成されている。各領域には、縦縞状の光透過部分３１Ｃ（斜線で示す部分）と、これらの間に形成された縦縞状のホトダイオード３２Ｃが交互に一定のピッチで形成されている。
【００３８】
隣接する領域５０１と５０２の間、領域５０２と５０３の間を１ピッチとすると、各領域は１／２ピッチの幅を有し、その幅内に、図４（ｄ）に示すように、４本のホトダイオード３２Ｃが形成されている。各ホトダイオード３２Ｃの幅は１／１６ピッチであり、ホトダイオードの間隔は１／８ピッチである。左右両側のホトダイオードと領域境界との間には１／３２ピッチの隙間が開いているが、この隙間は１／３２ピッチに限定されるものではない。また、光透過用格子あるいは光透過部分と、ホトダイオードのそれぞれの幅の比も１：１に限定されるものではない。
【００３９】
この配列を採用した場合においては、例えば、各領域における左端のホトダイオードからＡ相信号が得られ、その右側のホトダイオードからＢ相信号が得られ、さらに右側のホトダイオードからＡ相の反転信号が得られ、右端のホトダイオードからＢ相の反転信号が得られる。
【００４０】
次に、図５、図６には、光透過格子およびホトダイオードの交互配列の異なる例を示してある。これらの図に示すように、半導体基板３１０には、所定間隔で光透過格子３２０とホトダイオード３３０が交互に配列された第１の領域３４０と、同じく所定間隔で光透過格子３５０とホトダイオード３６０が交互に配列された第２の領域３７０とが形成されている。
【００４１】
第１の領域３４０におけるホトダイオード３３０は二分割ホトダイオードであり、その一方の側がＡ相の検出信号を得るためのホトダイオードで３３１とされ、他方の側がＢ相の検出信号を得るためのホトダイオード３３２とされている。同様に、第２の領域３７０におけるホトダイオード３６０も二分割型ホトダイオード３６１およびホトダイオード３６２から構成されている。
【００４２】
ここで、第１の領域３４０の各二分割型ホトダイオード３３１、３３２と、第２の領域３７０の側の各二分割型ホトダイオード３６１、３６２とは、１／２ピッチずれた位置関係にある。従って、第２の領域３７０における各二分割型ホトダイオード３６１、３６２からは、それぞれ、Ａ相の反転信号、およびＢ相の反転信号が得られる。図６には各二分割型ホトダイオードの配置例を示してある。
【００４３】
なお、図５に示すように、半導体基板３１０の表面には、Ａ相信号が得られる各ホトダイオード３３１に接続された電極配線層３８１、Ｂ相信号が得られる各ホトダイオード３３２に接続された電極配線層３８２、Ａ相の反転信号が得られる各ホトダイオード３６１に接続された電極配線層３８３、Ｂ相の反転信号が得られる各ホトダイオード３６２に接続された電極配線層３８４が形成されている。
【００４４】
また、図５（ｂ）に示すように、半導体基板３１０の裏面に、表面に凹部３９１が形成された半導体基板３９０を貼り付け、この半導体基板の凹部３９１の底面に、面発光レーザやＬＥＤ等の発光源３９２を配置した構成を採用すれば、発光源が一体化されたコンパクトな検出機構を構成できる。
【００４５】
次に、図７、図８には、半導体基板表面に、ホトダイオードが一定間隔で配列された領域と、光透過格子が一定間隔で配列された領域とが別個に形成されている配列例を示してある。
【００４６】
この図に示すように、半導体基板４１０の表面には、その中央に、一定間隔で光透過格子４２０が一定間隔で半導体基板移動方向に配列されている領域４３０が形成されており、この領域４３０を挟み、上下対称な状態で、ホトダイオードが一定間隔で配列された領域４４０および４５０が形成されている。
【００４７】
領域４４０において、奇数番目に位置するホトダイオード４４１と偶数番目に位置するホトダイオード４４２は、検出信号の位相が１８０度ずれるような間隔で配列されている。領域４５０においても、同様に、奇数番目に位置するホトダイオード４５１と偶数番目に位置するホトダイオード４５２は、領域４４０における場合と同一の間隔で配列されているので、それらの検出信号の位相が１８０度ずれるようになっている。さらに、領域４４０のホトダイオード群４４１と領域４５０のホトダイオード群４５１とは、１／４ピッチずれた関係となっている。従って、領域４４０のホトダイオード群４４１からＡ相信号が得られるとすると、同一領域４４０のホトダイオード群４４２からはＡ相の反転信号が得られる。また、領域４５０のホトダイオード群４５１からはＢ相信号が得られ、ホトダイオード群４５２からはＢ相の反転信号が得られる。図８には、各ホトダイオードの配置例を示してある。
【００４８】
なお、この構成においても、半導体基板４１０の表面上には、Ａ相信号が得られる各ホトダイオード４４１に接続された電極配線層４６１、Ｂ相信号が得られる各ホトダイオード４５１に接続された電極配線層４６２、Ａ相の反転信号が得られる各ホトダイオード４４２に接続された電極配線層４６３、Ｂ相の反転信号が得られる各ホトダイオード４５２に接続された電極配線層４６４が形成されている。
【００４９】
また、図７（ｃ）に示すように、半導体基板４１０の裏面に、表面に凹部４９１が形成された半導体基板４９０を貼り付け、この半導体基板の凹部４９１の底面に、面発光レーザやＬＥＤ等の発光源４９２を配置した構成を採用すれば、発光源が一体化されたコンパクトな検出機構を構成できる。
【００５０】
ここで、図７に示す構造の半導体基板４１０を用いた場合には、反射格子が形成されている固定格子板に対する当該半導体基板４１０の位置決めを精度よく行う必要がある。すなわち、図９（ａ）に示すように、固定格子板４Ａに対して、半導体基板４１０が矢印ＡあるいはＢで示す方向に傾いた状態で位置決めされると、固定格子板４Ａの反射格子４ｂと、半導体基板４１０の光透過格子４２０、受光素子４４１，４４２，４５１，４５２とが相互に傾いた状態になる。図９（ｂ）には矢印Ａの方向に傾いた状態を示してある。
【００５１】
この場合、本発明者等の実験によれば、０．１５度程度の微小な傾斜角でも、各受光素子から得られる検出信号の位相ずれが約４５度にもなることが確認された。また、例えば矢印Ｂの方向に傾いた場合、角度変化が０．５度程度の場合でも、Ａ相およびＢ相の検出信号の出力差が約０．２Ｖ（基準値の出力である１Ｖに対して約２０％）にもなることが確認された。したがって、固定格子板４Ａに対して半導体基板４１０を位置決めして取り付けた後に、実際の検出信号を測定して、信号レベルの調整などを行う必要がある。
【００５２】
このような固定格子板に対する半導体基板４１０の位置決め誤差に起因する受光素子検出信号の変動を回避するためには、本発明を適用した次のような構成を採用することが望ましい。
【００５３】
すなわち、図７の場合と同様に、半導体基板４１０の表面に、その中央に、一定間隔で光透過格子４２０が一定間隔で半導体基板移動方向に配列されている領域４３０を形成し、この領域４３０を挟み、上下対称な状態で、ホトダイオードが一定間隔で配列された領域４４０および４５０を形成する。しかるに、各領域４４０、４５０では、次のように各相の検出信号を出力するホトダイオードを配列する。
【００５４】
図１０に示すように、領域４４０では、隣接するホトダイオード間における検出信号の位相が２７０度ずれるように、３／４ピッチで各ホトダイオード４７１、４８２、４７２、４８１を配列する。この結果、ホトダイオード４７１と４７２は（１＋１／２）ピッチで配列されているので、一方から得られる検出信号をＡ相信号とすると、他方からはＡ相の反転信号が得られる。また、ホトダイオード４８１はホトダイオード４７１から得られるＡ相信号に対して９０度位相のずれたＢ相信号が得られる。よって、もうひとつのホトダイオード４８２からはＢ相の反転信号が得られる。なお、他方の領域４５０においても、同一の受光素子配列を採用している。
【００５５】
このように光透過格子４２０が形成されている領域４３０を挟む上下の領域４４０、４５０に、Ａ相信号、Ｂ相の反転信号、Ａ相の反転信号、およびＢ相信号が得られるように等ピッチで受光素子を配列すると、固定格子板と半導体基板の位置決め誤差に起因する検出信号の位相および電圧の変動を抑制できることが確認された。よって、かかる構成を採用すれば、精度のよい検出を行うことが可能になる。また、この受光素子配列では、受光素子間のピッチが広くなるので、各素子間の絶縁を取り易いという副次的な利点も得られる。
【００５６】
（Ｓ／Ｎ比の改善方法）
ここで、上記の図４ないし図８、図１０に示す例において、得られたＡ相信号とその反転信号の差動信号を得ることにより、誤差の少ないＡ相信号を生成することができる。同様に、得られたＢ相信号とその反転信号の差動信号を得ることにより、誤差の少ないＢ相信号を生成することができる。このような差動信号を用いることにより、光学式エンコーダのＳ／Ｎ比を改善できる。
【００５７】
次に、別のＳ／Ｎ比改善方法を以下に述べる。上記の半導体移動板に形成されたホトダイオードは、その裏面側から光が照射されるので、その暗電流が増加し、Ｓ／Ｎ比が低下するおそれがある。この弊害を回避すればＳ／Ｎ比を改善できる。そのためには次のようにすればよい。
【００５８】
図１１を参照して、図１、２に示す半導体基板３を例に挙げて説明すると、半導体移動板３における裏面側、すなわち、光源側に、アルミニウム、金等の素材からなる反射膜（遮光膜）を蒸着等の方法により、積層すればよい。この場合、ホトダイオード３２の側面部分にも反射膜を形成すればより効果が良くなる。図においては、反射膜の形成可能な領域を点線で示してある。
【００５９】
（光透過部分の形成方法）
次に、光透過格子を半導体基板に形成するためには、半導体基板表面をドライエッチングすればよい。ドライエッチングを採用すると、基板表面を垂直に彫り込むことができる。この代わりに、安価な製造方法であるウエットエッチングを採用することもできる。この場合には、結晶方位に起因した異方性エッチングとなるので、図１２に示すように半導体基板表面に対して傾斜した側面のスリットが形成される。
【００６０】
この場合においても、ホトダイオードとして残っている部分の裏面（光源側）に、点線で示す部分に、反射膜を蒸着等の方法により形成すれば、ホトダイオードの暗電流を低減でき、Ｓ／Ｎ比を改善できる。
【００６１】
（その他の実施の形態）
なお、上記の各例においては、半導体移動板の光透過型移動格子は、半導体基板に開けた光通過用のスリットであるが、この代わりに、充分な量の光が透過できる薄膜を半導体基板に対してエッチングにより形成し、各薄膜部分を移動格子とすることも可能である。
【００６２】
また、図３に示すように、ホトダイオード３２Ａが形成されている半導体基板３３Ａの裏面側の部分をエッチングすることにより、充分な光が透過可能な薄膜部分を形成し、当該薄膜部分を移動格子３１Ａとして利用することも可能である。このような透明な半導体受光素子は、平成１０年４月３０日提出の特願平１０−１２０８４８号の明細書、図面において提案されている。
【００６３】
一方、上記の例では、反射格子４１が形成されている側を固定側としてあるが、当該反射格子４１の側を移動側とし、半導体移動板３の側を固定側とすることも可能である。
【００６４】
また、上記の例では光源としてＬＥＤを用いているが、レーザー光源等のその他の光源を利用することも可能である。
【００６５】
さらに、上記の例はリニアエンコーダに関するものであるが、ロータリーエンコーダに対しても本発明を同様に適用可能である。この場合には、光透過部分とホトダイオードの部分とを、円周方向に向けて一定の角度で形成すればよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学式エンコーダにおいては、３枚格子理論に基づき反射格子と移動格子を用いてこれらの相対移動に関する情報を検出可能な反射格子像を受光素子に形成すると共に、移動格子と受光素子を共通の半導体基板上に作り込んだ構成を採用している。
【００６７】
従って、本発明のエンコーダによれば、移動格子の後ろ側に、別部品としての受光素子を配置する必要がなく単に光源を配置するだけでよい。また、半導体基板に形成された格子状の受光素子そのものがレンズ効果を持つので、レンズ光学系を用いることなく空間フィルタエンコーダを実現できる。よって、装置を小型でコンパクトにすることができる。
【００６８】
また、半導体基板に移動格子を形成しているので、微小ピッチの格子を半導体製造技術により精度良く形成できるという利点がある。
【００６９】
さらには、３枚格子の理論により、反射格子と移動格子の間隔の広狭、および当該間隔の変動により検出信号のコントラストが低下してしまうこともないので、これら反射格子および移動格子が形成されている部品の取り付け作業が簡単になり、また、これらの部品の取り付け位置の制約も緩やかになるという利点もある。加えて、固定格子板と半導体基板の位置決め誤差に起因する検出信号の位相および電圧の変動を抑制でき、精度のよい検出を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明を適用した光学式リニアエンコーダの構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１の半導体移動板に形成されたホトダイオードおよび光透過型移動格子の部分の概略断面構成図である。
【図３】半導体移動板の別の例を示す断面構成図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、光透過格子およびホトダイオードからなる領域の配置形態の３例を示す説明図である。
【図５】半導体基板表面に形成される光透過格子およびホトダイオードの配列例を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその一部を拡大して示す拡大部分平面図である。
【図６】図５における分割型ホトダイオードの配置例を示す説明図である。
【図７】半導体基板表面に形成された光透過格子およびホトダイオードの配列例を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのｂ―ｂ線で切断した部分の断面図、（ｃ）はそのｃ−ｃ線で切断した部分の断面図である。
【図８】図７におけるホトダイオードの配置例を示す説明図である。
【図９】図８のホトダイオードの配列例における問題点を示すための説明図である。
【図１０】図８のホトダイオードの配列に起因する問題を解決したホトダイオードの配列例を示すための説明図である。
【図１１】受光素子のＳ／Ｎ比を改善するための方法を示す説明図である。
【図１２】受光素子の光透過部分をウエットエッチングにより形成する場合を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 光学式リニアエンコーダ
２ ＬＥＤ
３ 半導体移動板
３１ 光透過型の移動格子
３２ ホトダイオード
３３ 半導体基板
３４ 半導体基板部分
３５ ボロンドープ層
３６ 電極層
３７ 共通電極層
３８ シリコン酸化膜（絶縁層）
４ 反射格子板
４１ 反射格子
５ 制御回路部
５１ 信号処理部
５２ 演算部
５３ 表示部
５４ ランプ駆動制御部
３１０、４１０ 半導体基板
３２０、３５０、４２０ 光透過格子
３３０、３５０ 二分割型ホトダイオード
４４１、４４２、４５１、４５２、４７１、４７２、４８１、４８２ ホトダイオード
３４０、３７０ 光透過格子およびホトダイオードが交互に配列された領域
４４０、４５０ ホトダイオードが一定間隔で配列された領域
４３０ 光透過格子が一定間隔で交互に配列された領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型でコンパクトに構成することができ、また、精度良く移動物体の位置等を検出することのできる光学式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
移動物体の回転あるいは移動量を検出する検出装置はロータリエンコーダあるいはリニアエンコーダと呼ばれ、一般に、光源および受光素子の間に移動格子板および固定格子板が配置され、これらの格子板に形成されている移動格子および固定格子を通過して光源から受光素子に到る透過光の光量変化に基づき、移動格子板と一体となって移動する移動物体の移動量を検出するように構成されている。
【０００３】
この構成の光学式エンコーダの分解能は格子ピッチにより決まるので、高分解能のエンコーダを実現するためには格子ピッチを小さくすればよい。しかし、格子ピッチを小さくするためには移動格子板と固定格子板の隙間もそれに合わせて小さくしないと、光の漏れによりＳ／Ｎ比が低下する。また、移動格子の移動に伴う格子間の隙間変動も小さくしないとＳ／Ｎ比が低下する。
【０００４】
格子間の隙間を小さくすること、および隙間変動の抑制には限界があるので、光の漏れおよび隙間変動に起因するＳ／Ｎ比の低下を回避するためには、平行光線を用いる方法が有効である。光源からの発散光を平行光とするにはコリメートレンズ等のレンズ光学系を用いればよく、このようなレンズ光学系を備えた光学式エンコーダも知られている。しかし、光学式エンコーダにおいて一般的に使用されている光源はＬＥＤであり、ＬＥＤは点光源ではないので、高品位の平行光線を得ることが困難である。また、レンズ光学系を追加するために、その分、装置寸法が大きくなってしまう。
【０００５】
一方、光の回折現象を利用して高分解能の光学式エンコーダを実現する方法が知られている。この方法によるエンコーダでは、半導体レーザー等の点光源から出射されレンズにより平行光化された光を微小ピッチの格子を透過させ、平行光が格子を透過する際に発生する回折と干渉に起因する受光素子での受光量の変化に基づき、移動物体の移動量を検出している。この方法を採用した場合には、上記構成のエンコーダに比べて格子ピッチを小さくでき、且つ、干渉による光の分布が正弦波に近いので、精度の良い電気分割ができる。しかしながら、格子自体および装置機構に高精度が求められるので、装置価格が高く、また、光源として用いている半導体レーザーの信頼性が低いという欠点がある。
【０００６】
次に、光学式エンコーダとしては、レンズを通して、移動格子の像を格子状に配列した受光素子に結像する空間フィルターエンコーダが本願人による特開平６−１１８０８８号公報において提案されている。この方法では、フィルター効果によって、格子移動によって生ずる信号の高調波成分を打ち消すことができるので、正弦波に近い信号を得ることができ、従って、分割器を用いて分解能を高めることが可能である。しかし、格子ピッチを小さくした場合には受光光像のコントラストを高めることが困難であり、また、レンズ光学系を用いるために装置寸法が大きくなるという欠点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、「グレーティングの像形成解析と変位計測へのＩＴＳの応用」（ＳＰＩＥ、第１３６巻、光学の計量学への応用に関する第１回欧州会議（１９７７）、第３２５〜３３２頁）（"ANALYSIS OF GRATING IMAGING AND ITS APPLICATIONTO DISPLACEMENT METROLOGY",SPIE Vol.136 1stEuropean Congress on Optics Applied to Metrology （1977）, pp.325〜332）には、３枚格子の理論と変位測定への応用について報告されている。この報告書に記載されているように、インデックス格子板と反射格子板とを対峙させ、インデックス格子板の後ろに発光源と受光素子を配置し、光源から出射されインデックス格子板のインデックス格子を透過して反射格子板の反射格子で反射され、再びインデックス格子を透過した光を受光素子で検出することにより、反射格子の移動量を検出できる。
【０００８】
この構成によれば、インデックス格子と反射格子の間隔を大きくしてもコントラストに影響が及ばず、また、これらの格子の隙間変動に起因するコントラストへの影響も殆どない。
【０００９】
したがって、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づけば、固定格子および移動格子の間隔の広狭あるいは当該間隔の変動に影響を受けることのない高分解能の光学式エンコーダを実現可能である。
【００１０】
しかしながら、光学式エンコーダに適用するに当たっては次のような解決すべき課題がある。
【００１１】
まず、この構造のエンコーダでは、インデックス格子の後ろに、発光源と受光素子を配置する必要あるので、構造が複雑化し、光量検出効率も低いという問題点がある。また、エンコーダとして用いる場合には、検出対象の移動物体の移動方向を検出するために少なくとも２つの受光素子を用いて相互に位相が１／４位相分だけずれた信号を作り出すことが必要である。しかし、インデックス格子の後ろに、発光源および少なくとも２個の受光素子を配置し、これらの受光素子から１／４位相分だけ位相がずれた信号を取り出す構成を実現することは困難である。
【００１２】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、小型でコンパクトに構成でき、しかも、移動速度および移動方向（移動位置）を検出することのできる光学式エンコーダを実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、共通の半導体基板に格子と受光素子を作り込むことにより、移動物体の移動方向を検出するために必要な１／４位相だけ位相ずれしたＡ相およびＢ相の信号を生成可能とし、以て、反射格子および移動格子の間隔の広狭および当該間隔の変動に影響を受けることなく移動物体の移動量を検出するための小型でコンパクトな光学式エンコーダを案出するに到ったのである。
【００１４】
すなわち、本発明は、光源と、一定ピッチあるいは角度で反射格子が複数本形成された反射格子板と、一定ピッチあるいは角度で光透過格子が複数本形成された移動格子板と、前記光源から出射され前記光透過格子を透過して前記反射格子で反射された反射光像を受光する受光素子とを有する光学式エンコーダであって、前記光透過格子および前記受光素子が共通の半導体基板に作り込まれており、前記受光素子は一定ピッチあるいは角度で形成された格子であり、各受光素子から得られる検出信号に基づき、前記移動格子板および前記反射格子板の相対移動方向および速度（移動位置）を検出するようになっており、前記光透過格子は、前記半導体基板に形成した光通過用スリット、あるいは、当該半導体基板に形成した光透過用の薄膜部分であり、前記半導体基板には、前記受光素子が所定間隔で配列された第１の領域と、前記光透過格子が所定間隔で配列された第２の領域と、前記受光素子が所定間隔で配列された第３の領域とが形成されており、前記第１の領域および前記第３の領域は、前記第２の領域を挟んで前記相対移動方向と直交する方向に対称となるように形成されており、当該第１および第３の各領域は、前記受光素子として第１ないし第４の受光素子を含み、これらの受光素子が、第１、第４、第３および第２の受光素子の順序で繰り返し配列されており、隣接する受光素子の間隔は、それらの受光素子から得られる検出信号の位相が相互に２７０度ずれるように設定されている。
【００１５】
このようにすれば、第１ないし第４の受光素子の配列から、Ａ相信号、Ｂ相の反転信号、Ａ相の反転信号、Ｂ相信号が得られるので、これらに基づき、誤差成分の少ないエンコード出力を得ることができる。特に、第１、第３の領域（受光素子の形成領域）を第２の領域（光透過格子の形成領域）に対して相対移動方向と直交する方向に対称に形成しているため、反射格子板に対する半導体基板の位置決め誤差に起因して、反射格子板の反射格子に対して半導体基板の受光素子が傾いた状態になっても、受光素子から得られる検出信号の位相変化等を抑制できる。従って、精度の高い検出が可能になる。
【００１６】
また、このように、Ａ相およびＢ相信号と共に、それらの反転信号が得られる場合には、Ａ相信号およびその反転信号から第１の差動信号を生成すると共に、Ｂ相信号およびその反転信号から第２の差動信号を生成する信号処理回路を用いることにより、誤差成分の少ないＡ相およびＢ信号を生成できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、３枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダの例およびこれに対する本発明の適用例を説明する。
【００１８】
図１（ａ）〜（ｃ）は３枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダの概略構成を示す図である。これらの図を参照して説明すると、３枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダ１は、光源としてのＬＥＤ２と、移動格子および受光素子が作り込まれている半導体移動板３と、反射型の固定格子板４と、制御回路部５から基本的に構成されている。半導体移動板３には、後述するように、一定のピッチで一定の幅の縦縞状の光透過用格子３１と受光素子としてのホトダイオード３２（図１（ｃ）における網かけ部分）とが平面方向に交互に形成されている。固定格子板４には受光側の表面４ａに、一定のピッチで一定の幅の縦縞状の反射格子４１が平面方向に配列されている。
【００１９】
制御回路部５は、ホトダイオード３２の検出信号に基づき１／４位相分だけ位相のずれたＡ相信号およびＢ相信号を形成する信号処理部５１と、これらＡ相およびＢ相信号に基づき半導体移動板３の移動速度、移動方向等の移動情報を演算するための演算部５２と、演算結果を表示する表示部５３と、ＬＥＤ２の駆動をフィードバック制御するランプ駆動部５４とを備えている。
【００２０】
なお、上記の演算部５２、表示部５３、ランプ駆動部５４は制御回路部５に内蔵せずに、外部回路として接続してもよいことは勿論である。
【００２１】
図２には半導体移動板３の光透過用スリット形成部分およびホトダイオード形成部分の断面構成を示してある。この半導体移動板３はシリコン基板等の半導体基板３３を備え、この半導体基板３３には、図２（ｂ）から分かるように、一定のピッチで一定幅をした縦縞模様の光透過型移動格子３１がエッチ除去により形成されている。
【００２２】
図２（ａ）から分かるように、半導体基板３３における各移動格子３１の間に残っている半導体基板の部分には、当該半導体基板部分３４と、この表面からボロンをドープすることにより形成したボロンドープ層３５から構成されるｐｎ接合のホトダイオード３２が作り込まれている。勿論、これ以外の方法によりホトダイオード３２を半導体基板３３に作り込んでもよいことは勿論である。
【００２３】
各ホトダイオード３２のボロンドープ層３５にはアルミニウム製の電極層３６が接続されており、半導体基板３３の側には同じくアルミニウム製の共通電極層３７が接続されている。電極素材としてはアルミニウム以外の導電性素材を用いることができることは勿論である。
【００２４】
電極層３６と半導体基板３３の間はシリコン酸化膜からなる絶縁層３８により絶縁されている。また、半導体基板３３の露出表面は耐久性を確保するためにシリコン酸化膜によって覆われている。同様に、ボロンドープ層３５の表面もシリコン酸化膜によって覆われている。
【００２５】
このように構成したリニアエンコーダ１において、半導体移動板３を測定対象物（図示せず）と一体化させて、光軸Ｌに直交する方向で、しかも、スリットおよびホトダイオードの配列方向に移動させると、ＬＥＤ２からの出射光は、まず、半導体移動板３の背面を照射し、当該半導体移動板３に形成されている光透過用格子３１を通過して反射型固定格子板４を格子縞状に照射する。
【００２６】
固定格子板４にも一定のピッチの同一幅の反射格子４１が形成されているので、当該固定格子板４を照射した光は各反射格子４１に照射した成分のみが反射される。反射格子像は再び半導体移動板３を照射し、一定のピッチの一定幅で形成されている縦縞状ホトダイオード３２によって受光される。このように、上記の構成では、半導体移動板３に形成された縦縞状の光透過用格子３１とホトダイオード３２とが２枚の格子板として機能する。従って、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、ホトダイオード３２においては、反射格子４１と移動格子（３１、３２）の相対移動に対応して受光量が正弦波状に変化する。よって、ホトダイオード３２の光電流に基づき相対移動速度に対応したパルス信号を得ることができ、当該パルス信号のパルスレートに基づき相対移動速度を演算できる。
【００２７】
また、図１（ａ）に示すように、奇数番目のホトダイオードの出力の総和に基づき、例えば、Ａ相信号を生成し、偶数番目のホトダイオードの出力の総和に基づき、１／４λだけ位相のずれたＢ相信号を生成することも可能である。これらの２相の信号に基づき、移動格子の移動方向を判別できる。
【００２８】
このように、上記の光学式リニアエンコーダ１においては、移動格子および受光素子を半導体製造技術により制作しているので、微小ピッチの格子を製造することができる。よって、高分解能のエンコーダを実現できる。
【００２９】
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。
【００３０】
さらには、３枚格子の理論により、反射格子と移動格子の隙間の広狭および、当該隙間の変動が分解能に悪影響を及ぼすことがないので、これらが形成されている部材の取り付け精度を確保するための調整作業を簡略化でき、また、取り付け場所の制約が少なくなる。
【００３１】
これに加えて、反射格子と移動格子の間隔を広くできるので、例えば反射格子の側を保護ケース等に収納して耐環境性を高めることも可能となる等の利点がある。
【００３２】
（受光素子および光透過格子の配列）
図４には、半導体移動板３に形成される縦縞状の光透過用格子３１およびホトダイオード３２の別の配列例を示してあり、いずれも、光透過用格子３１とホトダイオード３２が交互に配列されている例である。
【００３３】
図４（ａ）に示す例では、半導体基板３Ａに、縦縞状の光透過用格子および縦縞状のホトダイオードが交互に形成された４つの領域３０１〜３０４が形成されている。ここで、領域３０１のホトダイオード群からはＡ相信号が得られ、この領域３０１のホトダイオード群から得られる検出信号に対して位相が９０度ずれるように、領域３０２のホトダイオード群の位置が決定され、当該ホトダイオード群からはＢ相信号が得られる。
【００３４】
また、領域３０１の下側の位置している領域３０３のホトダイオード群は、領域３０１のホトダイオード群から得られる検出信号に対して位相が１８０度ずれた検出信号が得られるように、当該ホトダイオード群の位置が決定されている。従って、領域３０３のホトダイオード群からはＡ相の反転信号が得られる。同様に、当該領域３０３の横方に位置している領域３０４のホトダイオード群からはＢ相の反転信号が得られるように、その配置が規定されている。
【００３５】
図４（ｂ）に示す例では、半導体基板３Ｂに、当該基板の移動方向に直交する方向に４列の領域４０１〜４０４が形成されている。最も上の領域４０１には、基板移動方向に向けて一定のピッチで縦縞状の光透過用格子と縦縞状のホトダイオードとが交互に形成されている。領域４０２は領域４０１に対して、ホトダイオードの検出信号の位相が９０度ずれるような配置関係とされている。この領域４０２の下側の領域４０３は一番上の領域４０１に対して、ホトダイオードの検出信号の位相が１８０度ずれるような配置関係とされている。さらに、領域４０４は領域４０２に対して、ホトダイオードの検出信号の位相が１８０度ずれるような配置関係とされている。
【００３６】
この結果、領域４０１のホトダイオード群からは例えば、Ａ相信号が得られ、領域４０２のホトダイオード群からはＢ相信号が得られ、領域４０３のホトダイオード群からはＡ相の反転信号が得られ、領域４０４のホトダイオード群からはＢ相の反転信号が得られる。
【００３７】
図４（ｃ）、（ｄ）に示す例では、半導体基板３Ｃに、その移動方向（横方向）に沿って一定の間隔で複数の領域、図においては３つの領域５０１〜５０３が形成されている。各領域には、縦縞状の光透過部分３１Ｃ（斜線で示す部分）と、これらの間に形成された縦縞状のホトダイオード３２Ｃが交互に一定のピッチで形成されている。
【００３８】
隣接する領域５０１と５０２の間、領域５０２と５０３の間を１ピッチとすると、各領域は１／２ピッチの幅を有し、その幅内に、図４（ｄ）に示すように、４本のホトダイオード３２Ｃが形成されている。各ホトダイオード３２Ｃの幅は１／１６ピッチであり、ホトダイオードの間隔は１／８ピッチである。左右両側のホトダイオードと領域境界との間には１／３２ピッチの隙間が開いているが、この隙間は１／３２ピッチに限定されるものではない。また、光透過用格子あるいは光透過部分と、ホトダイオードのそれぞれの幅の比も１：１に限定されるものではない。
【００３９】
この配列を採用した場合においては、例えば、各領域における左端のホトダイオードからＡ相信号が得られ、その右側のホトダイオードからＢ相信号が得られ、さらに右側のホトダイオードからＡ相の反転信号が得られ、右端のホトダイオードからＢ相の反転信号が得られる。
【００４０】
次に、図５、図６には、光透過格子およびホトダイオードの交互配列の異なる例を示してある。これらの図に示すように、半導体基板３１０には、所定間隔で光透過格子３２０とホトダイオード３３０が交互に配列された第１の領域３４０と、同じく所定間隔で光透過格子３５０とホトダイオード３６０が交互に配列された第２の領域３７０とが形成されている。
【００４１】
第１の領域３４０におけるホトダイオード３３０は二分割ホトダイオードであり、その一方の側がＡ相の検出信号を得るためのホトダイオードで３３１とされ、他方の側がＢ相の検出信号を得るためのホトダイオード３３２とされている。同様に、第２の領域３７０におけるホトダイオード３６０も二分割型ホトダイオード３６１およびホトダイオード３６２から構成されている。
【００４２】
ここで、第１の領域３４０の各二分割型ホトダイオード３３１、３３２と、第２の領域３７０の側の各二分割型ホトダイオード３６１、３６２とは、１／２ピッチずれた位置関係にある。従って、第２の領域３７０における各二分割型ホトダイオード３６１、３６２からは、それぞれ、Ａ相の反転信号、およびＢ相の反転信号が得られる。図６には各二分割型ホトダイオードの配置例を示してある。
【００４３】
なお、図５に示すように、半導体基板３１０の表面には、Ａ相信号が得られる各ホトダイオード３３１に接続された電極配線層３８１、Ｂ相信号が得られる各ホトダイオード３３２に接続された電極配線層３８２、Ａ相の反転信号が得られる各ホトダイオード３６１に接続された電極配線層３８３、Ｂ相の反転信号が得られる各ホトダイオード３６２に接続された電極配線層３８４が形成されている。
【００４４】
また、図５（ｂ）に示すように、半導体基板３１０の裏面に、表面に凹部３９１が形成された半導体基板３９０を貼り付け、この半導体基板の凹部３９１の底面に、面発光レーザやＬＥＤ等の発光源３９２を配置した構成を採用すれば、発光源が一体化されたコンパクトな検出機構を構成できる。
【００４５】
次に、図７、図８には、半導体基板表面に、ホトダイオードが一定間隔で配列された領域と、光透過格子が一定間隔で配列された領域とが別個に形成されている配列例を示してある。
【００４６】
この図に示すように、半導体基板４１０の表面には、その中央に、一定間隔で光透過格子４２０が一定間隔で半導体基板移動方向に配列されている領域４３０が形成されており、この領域４３０を挟み、上下対称な状態で、ホトダイオードが一定間隔で配列された領域４４０および４５０が形成されている。
【００４７】
領域４４０において、奇数番目に位置するホトダイオード４４１と偶数番目に位置するホトダイオード４４２は、検出信号の位相が１８０度ずれるような間隔で配列されている。領域４５０においても、同様に、奇数番目に位置するホトダイオード４５１と偶数番目に位置するホトダイオード４５２は、領域４４０における場合と同一の間隔で配列されているので、それらの検出信号の位相が１８０度ずれるようになっている。さらに、領域４４０のホトダイオード群４４１と領域４５０のホトダイオード群４５１とは、１／４ピッチずれた関係となっている。従って、領域４４０のホトダイオード群４４１からＡ相信号が得られるとすると、同一領域４４０のホトダイオード群４４２からはＡ相の反転信号が得られる。また、領域４５０のホトダイオード群４５１からはＢ相信号が得られ、ホトダイオード群４５２からはＢ相の反転信号が得られる。図８には、各ホトダイオードの配置例を示してある。
【００４８】
なお、この構成においても、半導体基板４１０の表面上には、Ａ相信号が得られる各ホトダイオード４４１に接続された電極配線層４６１、Ｂ相信号が得られる各ホトダイオード４５１に接続された電極配線層４６２、Ａ相の反転信号が得られる各ホトダイオード４４２に接続された電極配線層４６３、Ｂ相の反転信号が得られる各ホトダイオード４５２に接続された電極配線層４６４が形成されている。
【００４９】
また、図７（ｃ）に示すように、半導体基板４１０の裏面に、表面に凹部４９１が形成された半導体基板４９０を貼り付け、この半導体基板の凹部４９１の底面に、面発光レーザやＬＥＤ等の発光源４９２を配置した構成を採用すれば、発光源が一体化されたコンパクトな検出機構を構成できる。
【００５０】
ここで、図７に示す構造の半導体基板４１０を用いた場合には、反射格子が形成されている固定格子板に対する当該半導体基板４１０の位置決めを精度よく行う必要がある。すなわち、図９（ａ）に示すように、固定格子板４Ａに対して、半導体基板４１０が矢印ＡあるいはＢで示す方向に傾いた状態で位置決めされると、固定格子板４Ａの反射格子４ｂと、半導体基板４１０の光透過格子４２０、受光素子４４１，４４２，４５１，４５２とが相互に傾いた状態になる。図９（ｂ）には矢印Ａの方向に傾いた状態を示してある。
【００５１】
この場合、本発明者等の実験によれば、０．１５度程度の微小な傾斜角でも、各受光素子から得られる検出信号の位相ずれが約４５度にもなることが確認された。また、例えば矢印Ｂの方向に傾いた場合、角度変化が０．５度程度の場合でも、Ａ相およびＢ相の検出信号の出力差が約０．２Ｖ（基準値の出力である１Ｖに対して約２０％）にもなることが確認された。したがって、固定格子板４Ａに対して半導体基板４１０を位置決めして取り付けた後に、実際の検出信号を測定して、信号レベルの調整などを行う必要がある。
【００５２】
このような固定格子板に対する半導体基板４１０の位置決め誤差に起因する受光素子検出信号の変動を回避するためには、本発明を適用した次のような構成を採用することが望ましい。
【００５３】
すなわち、図７の場合と同様に、半導体基板４１０の表面に、その中央に、一定間隔で光透過格子４２０が一定間隔で半導体基板移動方向に配列されている領域４３０を形成し、この領域４３０を挟み、上下対称な状態で、ホトダイオードが一定間隔で配列された領域４４０および４５０を形成する。しかるに、各領域４４０、４５０では、次のように各相の検出信号を出力するホトダイオードを配列する。
【００５４】
図１０に示すように、領域４４０では、隣接するホトダイオード間における検出信号の位相が２７０度ずれるように、３／４ピッチで各ホトダイオード４７１、４８２、４７２、４８１を配列する。この結果、ホトダイオード４７１と４７２は（１＋１／２）ピッチで配列されているので、一方から得られる検出信号をＡ相信号とすると、他方からはＡ相の反転信号が得られる。また、ホトダイオード４８１はホトダイオード４７１から得られるＡ相信号に対して９０度位相のずれたＢ相信号が得られる。よって、もうひとつのホトダイオード４８２からはＢ相の反転信号が得られる。なお、他方の領域４５０においても、同一の受光素子配列を採用している。
【００５５】
このように光透過格子４２０が形成されている領域４３０を挟む上下の領域４４０、４５０に、Ａ相信号、Ｂ相の反転信号、Ａ相の反転信号、およびＢ相信号が得られるように等ピッチで受光素子を配列すると、固定格子板と半導体基板の位置決め誤差に起因する検出信号の位相および電圧の変動を抑制できることが確認された。よって、かかる構成を採用すれば、精度のよい検出を行うことが可能になる。また、この受光素子配列では、受光素子間のピッチが広くなるので、各素子間の絶縁を取り易いという副次的な利点も得られる。
【００５６】
（Ｓ／Ｎ比の改善方法）
ここで、上記の図４ないし図８、図１０に示す例において、得られたＡ相信号とその反転信号の差動信号を得ることにより、誤差の少ないＡ相信号を生成することができる。同様に、得られたＢ相信号とその反転信号の差動信号を得ることにより、誤差の少ないＢ相信号を生成することができる。このような差動信号を用いることにより、光学式エンコーダのＳ／Ｎ比を改善できる。
【００５７】
次に、別のＳ／Ｎ比改善方法を以下に述べる。上記の半導体移動板に形成されたホトダイオードは、その裏面側から光が照射されるので、その暗電流が増加し、Ｓ／Ｎ比が低下するおそれがある。この弊害を回避すればＳ／Ｎ比を改善できる。そのためには次のようにすればよい。
【００５８】
図１１を参照して、図１、２に示す半導体基板３を例に挙げて説明すると、半導体移動板３における裏面側、すなわち、光源側に、アルミニウム、金等の素材からなる反射膜（遮光膜）を蒸着等の方法により、積層すればよい。この場合、ホトダイオード３２の側面部分にも反射膜を形成すればより効果が良くなる。図においては、反射膜の形成可能な領域を点線で示してある。
【００５９】
（光透過部分の形成方法）
次に、光透過格子を半導体基板に形成するためには、半導体基板表面をドライエッチングすればよい。ドライエッチングを採用すると、基板表面を垂直に彫り込むことができる。この代わりに、安価な製造方法であるウエットエッチングを採用することもできる。この場合には、結晶方位に起因した異方性エッチングとなるので、図１２に示すように半導体基板表面に対して傾斜した側面のスリットが形成される。
【００６０】
この場合においても、ホトダイオードとして残っている部分の裏面（光源側）に、点線で示す部分に、反射膜を蒸着等の方法により形成すれば、ホトダイオードの暗電流を低減でき、Ｓ／Ｎ比を改善できる。
【００６１】
（その他の実施の形態）
なお、上記の各例においては、半導体移動板の光透過型移動格子は、半導体基板に開けた光通過用のスリットであるが、この代わりに、充分な量の光が透過できる薄膜を半導体基板に対してエッチングにより形成し、各薄膜部分を移動格子とすることも可能である。
【００６２】
また、図３に示すように、ホトダイオード３２Ａが形成されている半導体基板３３Ａの裏面側の部分をエッチングすることにより、充分な光が透過可能な薄膜部分を形成し、当該薄膜部分を移動格子３１Ａとして利用することも可能である。このような透明な半導体受光素子は、平成１０年４月３０日提出の特願平１０−１２０８４８号の明細書、図面において提案されている。
【００６３】
一方、上記の例では、反射格子４１が形成されている側を固定側としてあるが、当該反射格子４１の側を移動側とし、半導体移動板３の側を固定側とすることも可能である。
【００６４】
また、上記の例では光源としてＬＥＤを用いているが、レーザー光源等のその他の光源を利用することも可能である。
【００６５】
さらに、上記の例はリニアエンコーダに関するものであるが、ロータリーエンコーダに対しても本発明を同様に適用可能である。この場合には、光透過部分とホトダイオードの部分とを、円周方向に向けて一定の角度で形成すればよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学式エンコーダにおいては、３枚格子理論に基づき反射格子と移動格子を用いてこれらの相対移動に関する情報を検出可能な反射格子像を受光素子に形成すると共に、移動格子と受光素子を共通の半導体基板上に作り込んだ構成を採用している。
【００６７】
従って、本発明のエンコーダによれば、移動格子の後ろ側に、別部品としての受光素子を配置する必要がなく単に光源を配置するだけでよい。また、半導体基板に形成された格子状の受光素子そのものがレンズ効果を持つので、レンズ光学系を用いることなく空間フィルタエンコーダを実現できる。よって、装置を小型でコンパクトにすることができる。
【００６８】
また、半導体基板に移動格子を形成しているので、微小ピッチの格子を半導体製造技術により精度良く形成できるという利点がある。
【００６９】
さらには、３枚格子の理論により、反射格子と移動格子の間隔の広狭、および当該間隔の変動により検出信号のコントラストが低下してしまうこともないので、これら反射格子および移動格子が形成されている部品の取り付け作業が簡単になり、また、これらの部品の取り付け位置の制約も緩やかになるという利点もある。加えて、固定格子板と半導体基板の位置決め誤差に起因する検出信号の位相および電圧の変動を抑制でき、精度のよい検出を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明を適用した光学式リニアエンコーダの構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１の半導体移動板に形成されたホトダイオードおよび光透過型移動格子の部分の概略断面構成図である。
【図３】半導体移動板の別の例を示す断面構成図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、光透過格子およびホトダイオードからなる領域の配置形態の３例を示す説明図である。
【図５】半導体基板表面に形成される光透過格子およびホトダイオードの配列例を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその一部を拡大して示す拡大部分平面図である。
【図６】図５における分割型ホトダイオードの配置例を示す説明図である。
【図７】半導体基板表面に形成された光透過格子およびホトダイオードの配列例を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はそのｂ―ｂ線で切断した部分の断面図、（ｃ）はそのｃ−ｃ線で切断した部分の断面図である。
【図８】図７におけるホトダイオードの配置例を示す説明図である。
【図９】図８のホトダイオードの配列例における問題点を示すための説明図である。
【図１０】図８のホトダイオードの配列に起因する問題を解決したホトダイオードの配列例を示すための説明図である。
【図１１】受光素子のＳ／Ｎ比を改善するための方法を示す説明図である。
【図１２】受光素子の光透過部分をウエットエッチングにより形成する場合を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 光学式リニアエンコーダ
２ ＬＥＤ
３ 半導体移動板
３１ 光透過型の移動格子
３２ ホトダイオード
３３ 半導体基板
３４ 半導体基板部分
３５ ボロンドープ層
３６ 電極層
３７ 共通電極層
３８ シリコン酸化膜（絶縁層）
４ 反射格子板
４１ 反射格子
５ 制御回路部
５１ 信号処理部
５２ 演算部
５３ 表示部
５４ ランプ駆動制御部
３１０、４１０ 半導体基板
３２０、３５０、４２０ 光透過格子
３３０、３５０ 二分割型ホトダイオード
４４１、４４２、４５１、４５２、４７１、４７２、４８１、４８２ ホトダイオード
３４０、３７０ 光透過格子およびホトダイオードが交互に配列された領域
４４０、４５０ ホトダイオードが一定間隔で配列された領域
４３０ 光透過格子が一定間隔で交互に配列された領域
Claims (2)
- 光源と、一定ピッチあるいは角度で所定形状の反射格子が複数本形成された反射格子板と、一定ピッチあるいは角度で所定形状の光透過格子が複数本形成された移動格子板と、前記光源から出射され前記光透過格子を透過して前記反射格子で反射された反射光像を受光する受光素子とを有する光学式エンコーダであって、
前記光透過格子および前記受光素子は共通の半導体基板に作り込まれており、前記受光素子は一定ピッチあるいは角度で形成された所定形状の格子であり、各受光素子から得られる検出信号に基づき、前記移動格子板および前記反射格子板の相対移動方向および速度を検出するようになっており、
前記光透過格子は、前記半導体基板に形成した光通過用スリット、あるいは、当該半導体基板に形成した光透過用の薄膜部分であり、
前記半導体基板には、前記受光素子が所定間隔で配列された第１の領域と、前記光透過格子が所定間隔で配列された第２の領域と、前記受光素子が所定間隔で配列された第３の領域とが形成されており、
前記第１の領域および前記第３の領域は、前記第２の領域を挟んで前記相対移動方向と直交する方向に対称となるように形成されており、当該第１および第３の各領域は、前記受光素子として第１ないし第４の受光素子を含み、これらの受光素子が、第１、第４、第３および第２の受光素子の順序で繰り返し配列されており、隣接する受光素子の間隔は、それらの受光素子から得られる検出信号の位相が相互に２７０度ずれるように設定されていることを特徴とする光学式エンコーダ。 - 請求項１において、
前記第１および第３の受光素子から得られる検出信号に基づき、第１の差動信号を生成すると共に、前記第２および第４の受光素子から得られる検出信号に基づき、第２の差動信号を生成する信号処理回路を有していることを特徴とする光学式エンコーダ。
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