JP4667653B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光透過格子および受光素子を備えた半導体基板を用いた３枚格子理論に基づく光学式エンコーダに関し、特に、位置検出のための原点位置信号を生成可能な小型でコンパクトに構成された光学式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願人は先に、特開２０００―３２１０９７号公報において、３枚格子理論に基づく光学式エンコーダを提案している。この光学式エンコーダは、光源としてのＬＥＤと、一定のピッチで光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ている。
【０００３】
この構成の光学式エンコーダでは、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で、しかも、光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光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光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、上記の公開公報に開示されている光学式エンコーダにおいては、光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、反射格子と光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、反射格子と光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、半導体基板からなる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。
【０００８】
本発明の課題は、この点に鑑みて、原点位置を検出可能な三枚格子の理論に基づく光学式エンコーダを提案することにある。
【０００９】
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三枚格子の理論に基づく光学式エンコーダを提案することにある。
【００１０】
さらに、本発明の課題は、精度良く原点位置を検出可能な三枚格子の理論に基づく光学式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光透過格子と、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光透過格子の相対移動位置を検出する光学式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、前記光透過格子および前記受光素子が作り込まれている半導体基板とを有しており；前記受光素子には、前記反射格子板および前記半導体基板の相対位置を検出するための基準となる原点位置を検出するための少なくとも一つの原点位置検出用受光素子が含まれており、前記反射格子には、前記原点位置を検出するための少なくとも一つの原点位置検出用反射格子が含まれており、
【００１２】
前記半導体基板には、前記光透過格子が一定のピッチで配列された光透過領域と、この光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第１の受光領域と、前記光透過領域の他方の側において前記受光素子が一定のピッチで配置されている第２の受光領域とが形成されており、
【００１３】
前記光透過領域における隣接配置されている一対の前記光透過格子の間に、前記原点位置検出用受光素子が形成されており、前記反射格子板における前記原点位置検出用受光素子に対峙可能な位置に、前記原点位置検出用反射格子が形成されていることを特徴としている。
【００１４】
このような構成により、小型、コンパクト化を阻害することなく、半導体基板に原点位置検出用受光素子を作り込むことができる。また、原点位置検出用受光素子に反射光を導くことができる。よって、小型、コンパクトで、原点位置も検出可能な三枚格子の理論による光学式エンコーダを実現できる。
【００１５】
次に、原点位置検出用受光素子での受光量不足を解消して、原点位置を確実に検出できるようにするためには、一定のピッチで配列された複数の前記原点位置検出用受光素子と、同一のピッチで配列された同一個数の前記原点位置検出用反射格子とを備えた構成を採用し、最も受光量の多い位置の原点位置検出用受光素子の出力に基づき原点位置を検出することが望ましい。
【００１６】
また、原点位置検出用受光素子の検出信号のＳ／Ｎ比を高めて精度良く原点位置検出を行うためには、異なるピッチで配列された複数の前記原点位置検出用受光素子と、これらの原点位置検出用受光素子のそれぞれに対応するピッチで配列された同一個数の前記原点位置検出用反射格子とを備えた構成を採用し、最も受光量の多い位置の原点位置検出用受光素子の出力に基づき原点位置を検出することが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した三枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダの実施例を説明する。
【００１８】
図１は本例の光学式リニアエンコーダを示す概略構成図である。この図に示すように、光学式リニアエンコーダ１は、光源としてのＬＥＤ２と、光透過格子３およびホトダイオード群４Ａ、４Ｂと一つのホトダイオード４Ｃが作り込まれている半導体基板からなる移動格子板５と、反射格子群６Ａ、６Ｂおよび一つの反射格子６Ｂが表面に形成されている反射格子板（固定格子板）７と、制御回路部８から基本的に構成されている。本例の移動格子板５は、後述のように、ＬＥＤ２が一体化された光源一体型の移動板ユニットとされている。ＬＥＤ２からの射出光は、移動格子板５に形成されている光透過格子３を透過して、反射格子板７の反射格子群６Ａ、６Ｂ、および反射格子６Ｃを照射する。この反射格子群で反射された反射光像がホトダイオード群４Ａ、４Ｂ、およびホトダイオード４Ｃで受光され、各ホトダイオード群４Ａ、４Ｂ、およびホトダイオード４Ｃの検出信号が制御回路部８に供給される。
【００１９】
制御回路部８は、ホトダイオード群４Ａ、４Ｂ、およびホトダイオード４Ｃ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相信号と、移動格子板５の原点位置を示すＺ信号を形成する信号処理部９と、これらＡ相、Ｂ相信号およびＺ信号に基づき移動格子板５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１０と、演算結果を表示する表示部１１と、ＬＥＤ２の駆動をフィードバック制御するランプ駆動部１２とを備えている。
【００２０】
図２（ａ）ないし（ｃ）は、光源一体型の移動板ユニットを示す概略平面図、ｂ−ｂ線で切断した部分の概略断面図、およびｃ−ｃ線で切断した部分の概略断面図である。
【００２１】
これらの図を参照して説明すると、本例の光源一体型の移動板ユニット２０は、シリコン基板からなるＬＥＤ保持板２１と、このＬＥＤ保持板２１の表面に積層接着した同じくシリコン基板からなる移動格子板５とを備えている。ＬＥＤ保持板２１の表面には一定深さの凹部２２が形成されており、ここに、ＬＥＤ２が装着されている。本例のＬＥＤ２は面発光ダイオードであり、例えば、ＡｕＺｎ基板にＧａＡｌＡｓの発光層が形成された構造のものである。
【００２２】
移動格子板５もシリコン基板から形成されており、その表面２３には、中央部分に一定のピッチで一定幅の光透過格子３が一定間隔で配列された光透過領域２４が形成されている。この光透過領域２４における一対の光透過格子３の間には原点位置検出用のホトダイオード４Ｃが形成されている。光透過領域２４の上側には、ホトダイオード群４Ａが配列された第１の受光領域２５が形成されており、光透過領域２４の下側にも、ホトダイオード４Ｂが配列された第２の受光領域２６が形成されている。
【００２３】
一方、固定格子板である反射格子板７の表面には、図１（ｂ）に示すように、一定の間隔で上側に反射格子群６Ａが配列され、下側に反射格子群６Ｂが配列されている。また、移動格子板５の移動方向の中央には、上下の反射格子群６Ａ、６Ｂの間の位置に一つの原点位置検出用の反射格子６Ｃが形成されている。
【００２４】
次に、図３は移動格子板の表面２３の中央部分に形成されている光透過領域２４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２４は、移動板５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４１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光透過格子３としてのスリットを形成した構成とされている。また、ほぼ中央に位置している一対の隣接する光透過格子３の間の領域には原点位置検出用のホトダイオード４Ｃが作り込まれている。
【００２５】
図４は、第１の受光領域２５に作り込まれているホトダイオード群４Ａに含まれているホトダイオード３１Ａ、３１Ｂ’を示す拡大部分断面図である。第２の受光領域２６の場合も同様である。また、原点位置検出用のホトダイオード４Ｃ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５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５１を備えたｐｎ接合のホトダイオード３１Ａ、３１Ｂ’が作り込まれている。各ホトダイオード３１Ａ、３１Ｂ’のボロンドープ層５１にはアルミニウム製の電極配線層３５、３６が接続されており、移動格子板５のｎ層の側にはアルミニウム製の共通電極層５３が接続されている。電極配線層３５、３６と移動格子板５の間はシリコン酸化膜からなる絶縁層５４により絶縁されている。また、移動格子板５の露出表面は耐久性を確保するためにシリコン酸化膜５５によって覆われている。同様に、ボロンドープ層５１の表面もシリコン酸化膜５６によって覆われている。
【００２６】
次に、図５には、第１および第２の受光領域２５、２６における各ホトダイオードの配置関係、および反射格子の配置関係を示してある。この図に示すように、光透過格子３のピッチをＰとすると、第１の受光領域２５では、Ａ相信号検出用のホトダイオード３１Ａ、Ｂ相の反転信号出力用のホトダイオード３１Ｂ’、Ａ相の反転信号出力用のホトダイオード３１Ａ’、Ｂ相信号出力用のホトダイオード３１Ｂが、（３／４）ｐのピッチで（１／２）ｐの幅で、この順序で周期的に配列されている。これらのホトダイオードは、光透過格子３に対してｐ／２オフセットした状態で配列されている。第２の受光領域２６においても、第１の受光領域２５と同一位置において同一順番で各相検出用のホトダイオード３１Ａ、３１Ｂ’、３１Ａ’および３１Ｂが配列されている。
【００２７】
ここで、原点位置検出用のホトダイオード４Ｃは、隣接する一対の光透過格子３の間の残り領域に形成されており、その幅は、ｐ／２よりも僅かに狭い寸法とされている。
【００２８】
これに対して、反射格子板７においては、ホトダイオード群４Ａに対応する上側の反射格子群６Ａを構成している反射格子６１は、光透過格子３と同様に、幅がｐ／２であり、ピッチｐで配列されている。同様に、ホトダイオード群４Ｂに対応する下側の反射格子群６Ｂを構成している反射格子６２も、上側の反射格子６１と同様に、同一ピッチ、同一幅で配列されている。
【００２９】
ここで、原点位置検出用の反射格子６Ｃは、上下の反射格子群６Ａ、６Ｂにおける対応する反射格子６１、６２の間の位置において、同一幅で形成されている。本例では、これら３つの反射格子６１、６２、６Ｃが連続した状態で形成されている。
【００３０】
このように構成された本例の光学式リニアエンコーダ１では、移動格子板５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。ＬＥＤ２からの出射光は、まず、移動格子板５の背面を照射し、当該移動格子板５に形成されている光透過格子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７を格子縞状に照射する。反射格子板７にも一定ピッチで同一幅の反射格子６が形成されているので、当該反射格子板７を照射した光のうち各反射格子６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５を照射し、ホトダイオード群４Ａ、４Ｂによって受光される。
【００３１】
このように、移動格子板５に形成された縦縞状の光透過格子３とホトダイオード群４Ａ、４Ｂとが２枚の格子板として機能する。従って、反射格子６を用いた３枚格子の理論に基づき、ホトダイオード群４Ａ、４Ｂにおいては、固定側の反射格子６と移動側の光透過格子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４Ａ、４Ｂ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３１Ａ、３１Ａ’の出力に基づき、精度良くＡ相信号を得ることができ、ホトダイオード３１Ｂ、３１Ｂ’の出力に基づき、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５の移動方向も判別できる。
【００３３】
ここで、本例の光学式リニアエンコーダ１では、Ａ相信号、Ｂ相信号と共に、移動格子板５の原点位置を検出するためのＺ信号も得られるようになっている。すなわち、図６（ａ）に示すように、移動格子板５には原点位置検出用のｐ／２幅の受光素子４Ｃが形成され、固定格子板７にも原点位置検出用のｐ／２幅の反射格子６Ｃが形成されている。移動格子板５が移動して、これらが一致する位置を通過すると、図６（ｂ）に示すように、ホトダイオード４Ｃの検出信号には、底辺の幅がｐで高さが所定のＶ（ホトダイオードから得られるピーク電圧）の三角波が一つ現れる。本例の信号処理部９では、この信号のＶ／２の位置にトリガーレベルを設定して波形整形を行い、図６（ｃ）に示す幅がｐ／２の矩形波信号ｚを生成している。
【００３４】
信号処理部９では、第１および第２の受光領域のホトダイオード群からの検出信号に基づき、図６（ｄ）、（ｅ）に示すような周期ｐのＡ相信号およびＢ相信号を生成している。そして、これら矩形波信号ｚと、ＡおよびＢ相信号の論理積を取ることにより、図６（ｆ）に示すようなパルス幅がｐ／４の原点位置を表す原点信号Ｚを生成している。この原点信号Ｚに基づき、移動格子板５の絶対位置を検出できるので、これに基づき、移動格子板５の移動位置を検出できる。
【００３５】
（原点位置検出機構の別の例）
上記の例では、主信号（Ａ相信号、Ｂ相信号）を、複数の光透過格子、反射格子およびホトダイオードを用いて検出しているのに対して、原点信号Ｚは単一の反射格子およびホトダイオードを用いて検出している。このために、原点位置検出用のホトダイオード４Ｃの受光量が不足して、確実な原点位置検出ができない可能性がある。この弊害を回避するためには、図７（ａ）に示すように、原点位置検出用の反射格子およびホトダイオードを３組配置すると、図７（ｂ）に示すように、中央のホトダイオード４Ｃ１の受光量を１組の場合に比べて３倍にすることができる。
【００３６】
この場合、両側のホトダイオード４Ｃ２、４Ｃ３の受光量もそのピーク値が高くなるので、Ｓ／Ｎ比を大きくとれない。Ｓ／Ｎ比を高めて原点位置の検出精度を改善するためには、図８（ａ）に示すように、中央の反射格子６Ｃ１およびホトダイオード４Ｃ１に対して、左右の反射格子６Ｃ２、６Ｃ３およびホトダイオード４Ｃ２、４Ｃ３のピッチを異なるようにすればよい。このようにすれば、図８（ｂ）に示すように、中央に位置しているホトダイオード４Ｃ１の受光量を増加させることができると共に、左右のホトダイオードの受光量のピーク値を低くすることができるので、Ｓ／Ｎ比を大きくとることができ、精度良く原点位置を検出できる。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、３枚格子理論に基づき、反射格子と光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光学式エンコーダにおいて、光透過格子と受光素子を共通の半導体基板上に作り込むようにすると共に、半導体基板に形成した光透過格子の間に原点位置検出用の受光素子を配置した構成を採用している。
【００４１】
従って、本発明によれば、小型、コンパクトで、原点位置も検出可能な三枚格子の理論による光学式エンコーダを実現できる。
【００４２】
また、本発明では、原点位置検出用受光素子および原点位置検出用反射格子の組を複数配置し、中央に位置している受光素子から原点位置検出用の出力を得るようにしている。この構成によれば、原点位置検出用の受光素子の受光量不足を解消でき、確実な原点位置検出動作を行うことが可能になる。
【００４３】
さらに、これらの原点位置検出用の受光素子および反射格子の組を異なるピッチで配置した場合には、中央の受光素子の受光量に対して両側の受光素子の受光量を大幅に低減できるので、原点位置検出信号のＳ／Ｎ比を大きく取れるので、精度良く原点位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した３枚格子の理論に基づく光学式リニアエンコーダを示す概略構成図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１の光源一体型の移動板ユニットを示す概略平面図、ｂ−ｂ線で切断した部分の概略断面図、およびｃ−ｃ線で切断した部分の概略断面図である。
【図３】図１の移動板に形成されている光透過格子の部分を示す拡大部分断面図である。
【図４】図１の移動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５】図１の移動格子板に形成されている光透過格子およびホトダイオードと、反射格子板に形成されている反射格子の配列関係を示す説明図である。
【図６】図１のリニアエンコーダにおける原点位置検出動作を説明するための説明図である。
【図７】原点位置検出機構の別の例を示す説明図である。
【図８】原点位置検出機構の更に別の例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 光透過格子
４Ａ、４Ｂ ホトダイオード群（受光素子）
４Ｃ ホトダイオード
３１Ａ、３１Ａ’、３１Ｂ、３１Ｂ’ ホトダイオード
５ 移動格子板
６Ａ、６Ｂ 反射格子群
６１、６２ 反射格子
６Ｃ 反射格子
７ 反射格子板
８ 制御回路部
２０ 光源一体型の移動板ユニット
２１ ＬＥＤ保持板
２２ 凹部
２３ 基板表面
２４ 光透過領域
２５ 第１の受光領域
２６ 第２の受光領域

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光透過格子と、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光透過格子の相対移動位置を検出する光学式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、前記光透過格子および前記受光素子が作り込まれている半導体基板とを有しており、
   前記受光素子には、前記反射格子板および前記半導体基板の相対位置を検出するための基準となる原点位置を検出するための少なくとも一つの原点位置検出用受光素子が含まれており、
   前記反射格子には、前記原点位置を検出するための少なくとも一つの原点位置検出用反射格子が含まれており、
   前記半導体基板には、前記光透過格子が一定のピッチで配列された光透過領域と、この光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第１の受光領域と、前記光透過領域の他方の側において前記受光素子が一定のピッチで配置されている第２の受光領域とが形成されており、
   前記光透過領域における隣接配置されている一対の前記光透過格子の間に、前記原点位置検出用受光素子が形成されており、
   前記反射格子板における前記原点位置検出用受光素子に対峙可能な位置に、前記原点位置検出用反射格子が形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 請求項１において、
   一定のピッチで配列された複数の前記原点位置検出用受光素子と、同一のピッチで配列された同一個数の前記原点位置検出用反射格子とを備えていることを特徴とする光学式エンコーダ。
3. 請求項１において、
   異なるピッチで配列された複数の前記原点位置検出用受光素子と、これらの原点位置検出用受光素子のそれぞれに対応するピッチで配列された同一個数の前記原点位置検出用反射格子とを備えていることを特徴とする光学式エンコーダ。

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