JP3631551B2 - 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】
この発明は、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定する光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
二つの部材間の相対変位を光学的に測定する光学式エンコーダは、基本的に２種の格子の重なりの変化による明暗パターンの変化を検出するもので、それぞれ所定ピッチの格子が形成されたメインスケールとインデックススケールを用いて構成される。メインスケールによる明暗像を得るための照射光としてコリメート光を用いると、スケールピッチを微細化したときに回折の影響が大きくなり、明瞭なメインスケールによる明暗像が得られにくくなる。
【０００３】
これに対して、積極的に回折像パターンを利用する方式の光学式エンコーダもある。例えば、光源波長に近いピッチのメインスケールを用い、コリメート光をメインスケールに照射して、±１次回折光と０次光（非回折光）が重なるギャップ位置でピーク値を示すスケールパターンに対応する明暗像パターンを得ることができる。但しこの方式は、所定のギャップ位置から外れると明瞭な明暗パターンが得らず、メインスケールの格子ピッチをＰ、光源波長をλとして、メインスケールから距離Ｐ２／λ（またはその整数倍）の位置に正確にインデックススケールを配置することが必要になる。例えば、スケール格子ピッチＰ＝８μｍ 、光源波長λ＝７００ｎｍとすると、Ｐ２／λ＝９１．４μｍ となる。この様な小さいギャップを正確に調整することは難しく、また位置決めができたとしても僅かなギャップ変動がＳ／Ｎを大きく劣化させる。
【０００４】
この様な難点を解消する方式として、拡散光源を用い、インデックススケールを光源側と受光側に配置して、３個の格子の重なりの変化を利用するようにしたいわゆる３格子システムが知られている。即ち図１８に示すように、メインスケール１に対して受光側インデックススケール３と光源側インデックススケール２の３格子を用いる。光源４としてはＬＥＤ等の拡散光源を用い、インデックススケール２により所定ピッチＰ２の二次光源アレイを得る。この二次光源アレイからの照明によるメインスケール１の明暗パターンを受光側インデックススケール３で変調することにより、受光素子５でスケール変位に対応して変化する出力信号を得る。
【０００５】
この様な３格子システムを、図１９に示すような反射型として構成して、光源側インデックススケール２と受光側インデックススケール３を共有させる方式は、例えば特公昭６０−２３２８２号公報に示されている。この公報において、メインスケールとインデックススケールの格子ピッチの関係を設定することより、幾何光学像パターンを検出する方式（以下、幾何光学方式）とすることができ、また回折像パターンを得る方式（以下、回折効果方式）とすることもできることが示されている。
【０００６】
図２０（ａ）（ｂ）はそれぞれ幾何光学方式と回折効果方式のスケール格子と像パターンの例を示している。反射型の場合、各ケール間距離は、ｕ＝ｖである。図２０（ａ）の幾何光学方式の場合、メインスケールピッチＰ１に対して、光源側及び受光側のインデックススケールピッチをＰ２＝Ｐ３＝２Ｐ１として、メインスケールを直進する光成分の重ね合わせによる明暗パターンが得られる。図２０（ｂ）の回折効果方式の場合は、Ｐ２＝Ｐ３＝Ｐ１として、メインスケールでの±１次回折光と０次光の重なりによる明暗パターンを得ることができる。
【０００７】
特公昭６０−２３２８２号公報の技術は、図２０の例に示すように、Ｐ２＝Ｐ３として、光源側インデックススケールと受光側インデックススケールを共用させるものであるが、これに対して、同様の３格子システムの反射型の光学エンコーダであって、光源用インデックススケールと受光用インデックススケールを共通基板を用いて別々の格子ピッチで形成することにより、格子ピッチの設計の自由度を増す技術が、例えば実公平７−８８８号公報に示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来提案されている３格子システムの反射型の光学式エンコーダにおいては、受光側のインデックススケールで９０°位相のずれた二つの変位出力信号を得るためには、空間的位相を異ならせた二つの格子部を別々の部位に設けることが必要であり、更にこれらと位相が１８０°ずれた変位出力信号を得るためには、更に二つの格子部を別の部位に設けることが必要になる。このため、変位出力信号が光量分布やスケールのムラの影響を受け易い。従って、スケール部材のアラインメント調整が難しく、ヨウ、ピッチ、ロール等の僅かな機械的回転が特性を大きく劣化させるという問題がある。
【０００９】
一方、受光側インデックススケールを兼ねて受光素子アレイを用いる方式が考えられるが、この場合光源側インデックススケールと受光素子アレイの取り付けの際のアラインメント調整が必要であり、僅かの調整ズレが特性を劣化させる。更にスケールピッチを微細化した場合、スケールピッチの微細化に対応させた受光素子アレイの微細化が製造技術上難しいという問題がある。
【００１０】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、難しいギャップ調整やアラインメント調整を要せず、高分解能特性を得ることを可能とした光学式エンコーダを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面とが前記メインスケールに対向する側で同一面となるように一体に接合されており、前記光源用インデックススケールは、透明基板を用いてこの透明基板の前記光源側の面と反対側の面に前記透過型格子が形成されたものであることを特徴とする。
この発明は、また、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、前記光源用インデックススケールは、透明基板を用いてこの透明基板の前記光源側の面に透過型格子が形成されたものであり、前記受光素子アレイは、前記透明基板の前記透過型格子が形成された領域に隣接する位置に前記受光面を前記透過型格子が形成された面と対向させて搭載されており、前記光源用インデックススケールと前記受光素子アレイとは、前記透明基板を共通基板として一体化されており、前記透過型格子、前記透明基板、前記メインスケールの順番で配置されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明は、また、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、前記受光素子アレイは、前記光源用インデックススケールの前記相対変位方向の中央部に搭載され、前記光源用インデックススケールは前記受光素子アレイが搭載された領域の周囲に前記透過型格子が形成されていることを特徴とする。
この発明はまた、複数個の光源用インデックススケールを備えて、これら複数個の光源用インデックススケールが、前記受光素子アレイの周囲に配置されて前記受光素子アレイの受光面と前記複数の光源用インデックススケールの透過型格子面とを揃えて前記受光素子アレイと一体に構成されていることを特徴としている。
【００１３】
更にこの発明において好ましくは、前記受光素子アレイの前面に、前記メインスケールの格子とは所定角度傾斜した光透過部と不透過部が配列形成されてメインスケールとの間でモアレ縞を生じさせる透過型格子を構成する受光用インデックススケールが更に配置され、前記受光素子アレイは、半導体基板に前記モアレ縞を検出するための複数の受光素子が前記モアレ縞の周期方向に配列形成されたものとする。
更にまたこの発明において好ましくは、前記メインスケールの格子と前記光源用インデックススケールの格子とは、モアレ縞を生じさせるべく互いに所定角度傾斜させて配列され、前記受光素子アレイは、半導体基板に前記モアレ縞を検出するための複数の受光素子が前記モアレ縞の周期方向に配列形成されたものとする。
【００１４】
この発明に係る光学式エンコーダは、３格子システムの反射型エンコーダであって、受光側のインデックススケールを兼ねた受光素子アレイが光源用インデックススケールと一体に構成されているため、これらの取り付けの際のアラインメント調整が要らず、高性能特性を得ることができる。また、受光用インデックススケールを用いた場合と異なり、狭い受光面範囲で２相あるいは４相の変位出力信号を得ることができる。従って、スケール取付のアラインメント誤差の影響が小さく、４相間のバランスがよい出力信号を得ることができ、電気的調整が不要となる。
またこの発明において、モアレ縞を生じさせる受光用インデックススケールを配置し、あるいは光源用インデックススケールとメインスケールの間でモアレ縞を生じさせて、モアレ縞を検出する方式とすることにより、受光素子アレイの配列ピッチをそれ程微細化する事なく、高分解能特性を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、この発明の一実施例に係る光学式エンコーダの構成を示す斜視図であり、図２はその主要部の平面図である。第１の部材１０と第２の部材２０が所定ギャップをもって、矢印ｘで示すように相対移動可能に配置される。第１の部材１０の第２の部材２０に対向する面にはメインスケールＧ１が取り付けられている。メインスケールＧ１は、基板３１にＡｌ膜等による光反射部３２と非反射部３３（光透過部または光吸収部）とが所定ピッチＰｓで配列形成された反射型のスケールである。
【００１６】
第２の部材２０の第１の部材１０に対向する面には、メインスケールＧ１を照射する手段として、拡散光源であるＬＥＤ４０とその拡散光を受けて二次光源アレイを構成する光源用インデックススケールＧ２、及びメインスケールＧ１からの反射像パターンを受光するフォトダイオードアレイＰＤＡが配置されている。光源用インデックススケールＧ２は、透明基板５１のメインスケールＧ１に対向する側の面にＣｒ膜等による不透過部５２と光透過部５３とを所定ピッチＰａで配列形成した透過型格子である。フォトダイオードアレイＰＤＡは、例えばｎ型シリコン基板６１にｐ型層を拡散形成したフォトダイオード６２を所定ピッチＰｂで配列形成したものである。
【００１７】
この実施例においては、フォトダイオードアレイＰＤＡのシリコン基板６１と光源用インデックススケールＧ２の透明基板５１とは、同じ厚みを有し、それらの側面が接合されて一体化された状態で第２の部材２０に取り付けられている。
【００１８】
メインスケールＧ１のピッチＰｓと光源用インデックススケールＧ２のピッチＰａとは、フォトダイオードアレイＰＤＡの面上の幾何光学像パターンを検出する場合には、Ｐａ＝２ｎ・Ｐｓ（ｎは正の整数）を満たすように設定される。また、回折像パターンを検出する場合には、Ｐａ＝ｎ・Ｐｓを満たすように設定される。
メインスケールＧ１のピッチＰｓとフォトダイオードアレイＰＤＡのピッチＰｂとの関係は例えば、図３に具体例を示したように、各フォトダイオード６２の幅がＰｓ／２、間隔がＰｓ／４、従って、Ｐｂ＝３Ｐｓ／４を満たすように設定される。これによりフォトダイオードアレイＰＤＡからは、スケール変位ｘに応じて図４に示すように、Ａ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢの４相の出力電流が得られる。
【００１９】
これらの４相出力電流は、それぞれ電流電圧変換器６３ａ〜６３ｄにより電圧値に変換された後、差動増幅器６４ａ，６４ｂにより互いに１８０°位相がずれたＡ，ＡＢ相間、及びＢ，ＢＢ相間の差動がとられて、互いに９０°位相がずれたＡ，Ｂ相の二つの変位信号が得られる。これらの変位信号を公知の方法で処理することにより、スケール変位が求められる。
【００２０】
この実施例によると、受光部にはインデックススケールを用いることなく、実質的に３格子システムを応用した反射型の光学式エンコーダが得られる。また、フォトダイオードアレイＰＤＡと光源用インデックススケールＧ２とは基板を同じ厚みとしてこれらを接合して一体化しているため、これらを別々に取り付けた場合に生じる相対的な傾き等のアラインメント誤差が生じない。
【００２１】
また、受光用インデックススケールを用いる方式では、２相の変位出力信号のために空間的に離れた位置に二つの格子部を必要とし、４相の変位出力信号を得るためには空間的に離れた４個の格子部を必要とするのに対し、隣接フォトダイオードが異なる位相の変位出力を出すようにフォトダイオードを配列したフォトダイオードアレイＰＤＡを用いるこの実施例の方式では狭い受光面範囲で４相の変位出力信号を得ることができる。従って、光量分布のアンバランスの影響やスケール取付のアラインメント誤差の影響が小さい。
【００２２】
また、実公平７−８８８号公報に示されているように、光源用と受光用のインデックススケールを共通基板に形成すると、光源と受光素子はこのインデックススケールの同じ側に配置されるため、インデックススケールで直接反射されて受光素子に入る拡散光成分が無視できず、これが出力信号に重畳されて悪影響を与える。この実施例によると、光源用インデックススケールＧ２からの拡散光成分がメインスケールＧ１に入らずに直接フォトダイオードアレイＰＤＡに漏れ込むということがなく、出力信号のＳ／Ｎが高いものとなる。
【００２３】
図５は、別の実施例の光学式エンコーダの要部構成を図２に対応させて示す。先の実施例と異なる点を説明すれば、この実施例では、光源用インデックススケールＧ２は、透明基板５１の光源４０側の面に光透過部５３と不透過部５２を配列してスケール格子を形成している。そして同じ透明基板５１のスケール格子部に隣接する位置に、フォトダイオードアレイＰＤＡが受光面を下にして搭載されている。つまり、透明基板５１を共通基板として用いて光源用インデックススケールＧ２とフォトダイオードアレイＰＤＡが一体化されている。
この実施例によると、光源用インデックススケールＧ２とフォトダイオードアレイＰＤＡの一体化が、側面を接合する先の実施例より容易になる。
【００２４】
図６は、更に別の実施例の光学式エンコーダである。この実施例は図１の実施例を基本として、フォトダイオードアレイＰＤＡの両サイドに光源用インデックススケールＧ２ａ，Ｇ２ｂを配置し、更にフォトダイオードアレイＰＤＡの上部にも光源用インデックススケールＧ２ｃを配置して、光源４０からの拡散光をレンズ７０により更に拡大してこれらのインデックススケールＧ２ａ〜Ｇ２ｃに照射するようにしたものである。この場合も、インデックススケールＧ２ａ〜Ｇ２ｃとフォトダイオードアレイＰＤＡは、基板厚みを揃えて側面を接合して一体化される。
この実施例によると、フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面に３方からの照明によるメインスケールＧ１の反射像パターンが投影されるから、フォトダイオードアレイＰＤＡ上の光量分布が均一になる。
【００２５】
図７は、図５の構成法を利用して、実質的に図６と同様の構成を実現した実施例である。フォトダイオードアレイＰＤＡは、光源用インデックススケールＧ２の透明基板５１の透過型格子が形成された光源側の面の相対変位方向の中央部に受光面を下向きにして搭載されている。光源用インデックススケールＧ２の透過型格子は、フォトダイオードアレイＰＤＡの周囲に、即ちフォトダイオードアレイＰＤＡを挟む左右領域およびフォトダイオードアレイＰＤＡの上部に形成されている。
この実施例によると、１枚の光源用インデックススケール基板を用いて、実質的に図６と同様の構成が得られるから、アラインメントが容易である。
【００２６】
図８は、モアレ縞パターンを得る方式の光学式エンコーダの実施例の要部構成を示す斜視図であり、図９はその平面図である。メインスケールＧ１と光源用インデックススケールＧ２及び拡散光源４０の部分は、図５の実施例と同様である。光源用インデックススケールＧ２を形成した透明基板５１上にこの実施では、メインスケール格子に対して僅かに傾斜した光透過部８２と不透過部８１の配列によるモアレ縞生成用の受光用インデックススケールＧ３が形成されている。この受光用インデックススケールＧ３の不透過部８１と光透過部８２は、光源用インデックススケールＧ２の不透過部５２と透過部５２と同時に透明基板５１上にパターン形成される。
【００２７】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、受光用インデックススケールＧ３の格子面にその受光面を下にして搭載されている。フォトダイオードアレイＰＤＡは、ｎ型シリコン基板９１にｐ型層によるフォトダイオード９２を形成したものであるが、フォトダイオード９２の配列方向は先の実施例と異なり、形成されるモアレ縞の周期方向に配列される。
【００２８】
図１０は、メインスケールＧ１と受光用インデックススケールＧ３により形成されるモアレ縞とフォトダイオードアレイＰＤＡの関係を示す。図示のように各格子のピッチｄと格子の傾斜角θにより決まるモアレ縞が得られ、そのモアレ縞の１周期Ｐｍに対して、３Ｐｍ／４のピッチでフォトダイオード９２を配列することにより、スケール変位に伴うモアレ縞の変位によって、Ａ，ＢＢ，ＡＢ，Ｂの４相の変位信号を得ることができる。
【００２９】
この実施例によると、スケールピッチを微細化した場合にも、モアレにより実質的にスケールピッチを拡大することができ、フォトダイオードアレイＰＤＡの製造が容易になる。具体的に、例えばメインスケールＧ１の格子ピッチＰｓ、光源用インデックススケールＧ２の格子ピッチＰａ、受光用インデックススケールＧ３の格子ピッチＰｂを、Ｐｓ＝Ｐａ＝Ｐｂ＝８μｍ （＝ｄ）とし、θ≒２３．０７４°として、フォトダイオードアレイＰＤＡは、ダイオード幅１０μｍ 、ピッチ１５μｍ で配列することができる。
【００３０】
図１１及び図１２は、上記実施例を変形した実施例のそれぞれ図８及び図９に対応する構成である。この実施例では、モアレ用の受光用インデックススケールＧ３は光源用インデックススケールＧ２とは別に、フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面上に、金属膜の蒸着とパターニングによって不透過部８１と光透過部８２を形成して作られる。図１３はその様子を拡大して示した斜視図である。フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面は例えばＳｉＯ２のような絶縁膜９３で覆われ、この上に受光用インデックススケールパターンが形成される。
【００３１】
そして、光源用インデックススケールＧ２の透明基板５１とフォトダイオードアレイＰＤＡのシリコン基板９１を、図１の実施例と同様に同じ厚みとしてそれらの側面を接合して一体化している。
なおこの実施例のように受光用インデックススケールＧ３を一体形成したフォトダイオードアレイＰＤＡを、図８の実施例と同様に光源用インデックススケールＧ２の基板上に搭載して光源用インデックススケールＧ２と一体化することもできる。
【００３２】
図１４及び図１５は、モアレ方式の反射型エンコーダの他の実施例を示す要部斜視図と平面図である。この実施例では、モアレ用の透過型インデックススケールＧ２３を光源側に配置して、これを二次光源アレイを得るための透過型格子としても用いるようにしたものである。このフォトダイオードアレイＰＤＡの基板とインデックススケールＧ２３の基板は同じ厚みを有し、図１の実施例と同様に側面を接合して一体化されている。言い換えれば、図１１におけるモアレ用インデックススケールＧ３と光源側インデックススケールＧ２を共有として光源側に配置したものである。この方式は、光源用インデックススケールＧ２３とメインスケールＧ１との格子間でモアレ縞を生じさせるもので、フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面積を大きく確保できる点で有利である。
【００３３】
図１６及び図１７は、更に別の実施例のモアレ方式の反射型エンコーダを示す要部斜視図と平面図である。モアレ用を兼ねた光源側のインデックススケールＧ２３が、透明基板５１の光源側の面に光透過部５３と不透過部５２を配列形成して構成されている。そして同じ透明基板５１の格子部に隣接する位置にフォトダイオードアレイＰＤＡがその受光面を下にして搭載されている。
この実施例によっても先の実施例と同様の効果が得られる。
【００３４】
なお図１４〜図１７の実施例は、光源側インデックススケールの格子をメインスケールの格子に対して傾斜させたが、この傾斜は相対的なものであるから、光源側インデックススケールは通常通りスケール変位方向に対しては直交する方向とし、メインスケールの格子をスケール変位方向に直交する方向から僅かに傾斜させたパターンとすることによっても、同様のモアレ縞を得ることができる。
【００３５】
この発明は上記実施例に限られない。例えば上記実施例では、光源用インデックススケールとフォトダイオードアレイはそれぞれ別個に形成した後に接合して一体化したが、インデックススケール基板上にアモルファスシリコン等の半導体膜を堆積して、この半導体膜を利用してフォトダイオードアレイを配列形成することもできる。フォトダイオードに代わってフォトトランジスタを用いることもできる。
また、光源用インデックススケールと拡散光源としてのＬＥＤを一体的に形成することも可能である。例えば、大きな発光面を持つＬＥＤの発光面上に直接インデックススケール格子を金属膜の蒸着、パターニングによって形成することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、３格子システムの反射型エンコーダであって、受光側のインデックススケールを兼ねた受光素子アレイを光源用インデックススケールと一体に構成することにより、受光素子アレイと光源用インデックススケールとの間のアラインメント調整が要らず、高性能特性を得ることができる。また、受光用インデックススケールを用いた場合と異なり、狭い受光面範囲で２相あるいは４相の変位出力信号を得ることができ、光量分布のばらつきやアラインメント誤差の影響が小さく、４相間のバランスがよい出力信号を得ることができて電気的調整が不要となる。
またこの発明によると、モアレ縞を生じさせる受光用インデックススケールを配置し、あるいは光源用インデックススケールとメインスケールの間でモアレ縞を生じさせて、モアレ縞を検出する方式とすることにより、受光素子アレイの配列ピッチをそれ程微細化する事なく、高分解能特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】同実施例の要部構成を示す平面図である。
【図３】同実施例のメインスケールとフォトダイオードアレイの配列関係を示す。
【図４】同実施例の出力電流特性を示す。
【図５】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図６】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図７】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図８】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図９】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１０】同実施例のモアレ縞とフォトダイオードアレイの関係を示す。
【図１１】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図１２】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１３】同実施例のフォトダイオードアレイの構成を示す斜視図である。
【図１４】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図１５】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１６】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図１７】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１８】３格子システムの透過型光学式エンコーダの構成を示す。
【図１９】３格子システムの反射型光学式エンコーダの構成を示す。
【図２０】３格子システムの明暗像パターン形成原理を示す。
【符号の説明】
１０…第１の部材、２０…第２の部材、Ｇ１…メインスケール、３１…基板、３２…光反射部、３３…非反射部、Ｇ２…光源用インデックススケール、５１…透明基板、５２…不透過部、５３…光透過部、４０…拡散光源、ＰＤＡ…フォトダイオードアレイ、６１…シリコン基板、６２…フォトダイオード、Ｇ３…受光用インデックススケール（モアレ用）、８１…不透過部、８２…光透過部、９１…シリコン基板、９２…フォトダイオード。
【発明の属する技術分野】
この発明は、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定する光学式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
二つの部材間の相対変位を光学的に測定する光学式エンコーダは、基本的に２種の格子の重なりの変化による明暗パターンの変化を検出するもので、それぞれ所定ピッチの格子が形成されたメインスケールとインデックススケールを用いて構成される。メインスケールによる明暗像を得るための照射光としてコリメート光を用いると、スケールピッチを微細化したときに回折の影響が大きくなり、明瞭なメインスケールによる明暗像が得られにくくなる。
【０００３】
これに対して、積極的に回折像パターンを利用する方式の光学式エンコーダもある。例えば、光源波長に近いピッチのメインスケールを用い、コリメート光をメインスケールに照射して、±１次回折光と０次光（非回折光）が重なるギャップ位置でピーク値を示すスケールパターンに対応する明暗像パターンを得ることができる。但しこの方式は、所定のギャップ位置から外れると明瞭な明暗パターンが得らず、メインスケールの格子ピッチをＰ、光源波長をλとして、メインスケールから距離Ｐ２／λ（またはその整数倍）の位置に正確にインデックススケールを配置することが必要になる。例えば、スケール格子ピッチＰ＝８μｍ 、光源波長λ＝７００ｎｍとすると、Ｐ２／λ＝９１．４μｍ となる。この様な小さいギャップを正確に調整することは難しく、また位置決めができたとしても僅かなギャップ変動がＳ／Ｎを大きく劣化させる。
【０００４】
この様な難点を解消する方式として、拡散光源を用い、インデックススケールを光源側と受光側に配置して、３個の格子の重なりの変化を利用するようにしたいわゆる３格子システムが知られている。即ち図１８に示すように、メインスケール１に対して受光側インデックススケール３と光源側インデックススケール２の３格子を用いる。光源４としてはＬＥＤ等の拡散光源を用い、インデックススケール２により所定ピッチＰ２の二次光源アレイを得る。この二次光源アレイからの照明によるメインスケール１の明暗パターンを受光側インデックススケール３で変調することにより、受光素子５でスケール変位に対応して変化する出力信号を得る。
【０００５】
この様な３格子システムを、図１９に示すような反射型として構成して、光源側インデックススケール２と受光側インデックススケール３を共有させる方式は、例えば特公昭６０−２３２８２号公報に示されている。この公報において、メインスケールとインデックススケールの格子ピッチの関係を設定することより、幾何光学像パターンを検出する方式（以下、幾何光学方式）とすることができ、また回折像パターンを得る方式（以下、回折効果方式）とすることもできることが示されている。
【０００６】
図２０（ａ）（ｂ）はそれぞれ幾何光学方式と回折効果方式のスケール格子と像パターンの例を示している。反射型の場合、各ケール間距離は、ｕ＝ｖである。図２０（ａ）の幾何光学方式の場合、メインスケールピッチＰ１に対して、光源側及び受光側のインデックススケールピッチをＰ２＝Ｐ３＝２Ｐ１として、メインスケールを直進する光成分の重ね合わせによる明暗パターンが得られる。図２０（ｂ）の回折効果方式の場合は、Ｐ２＝Ｐ３＝Ｐ１として、メインスケールでの±１次回折光と０次光の重なりによる明暗パターンを得ることができる。
【０００７】
特公昭６０−２３２８２号公報の技術は、図２０の例に示すように、Ｐ２＝Ｐ３として、光源側インデックススケールと受光側インデックススケールを共用させるものであるが、これに対して、同様の３格子システムの反射型の光学エンコーダであって、光源用インデックススケールと受光用インデックススケールを共通基板を用いて別々の格子ピッチで形成することにより、格子ピッチの設計の自由度を増す技術が、例えば実公平７−８８８号公報に示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来提案されている３格子システムの反射型の光学式エンコーダにおいては、受光側のインデックススケールで９０°位相のずれた二つの変位出力信号を得るためには、空間的位相を異ならせた二つの格子部を別々の部位に設けることが必要であり、更にこれらと位相が１８０°ずれた変位出力信号を得るためには、更に二つの格子部を別の部位に設けることが必要になる。このため、変位出力信号が光量分布やスケールのムラの影響を受け易い。従って、スケール部材のアラインメント調整が難しく、ヨウ、ピッチ、ロール等の僅かな機械的回転が特性を大きく劣化させるという問題がある。
【０００９】
一方、受光側インデックススケールを兼ねて受光素子アレイを用いる方式が考えられるが、この場合光源側インデックススケールと受光素子アレイの取り付けの際のアラインメント調整が必要であり、僅かの調整ズレが特性を劣化させる。更にスケールピッチを微細化した場合、スケールピッチの微細化に対応させた受光素子アレイの微細化が製造技術上難しいという問題がある。
【００１０】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、難しいギャップ調整やアラインメント調整を要せず、高分解能特性を得ることを可能とした光学式エンコーダを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面とが前記メインスケールに対向する側で同一面となるように一体に接合されており、前記光源用インデックススケールは、透明基板を用いてこの透明基板の前記光源側の面と反対側の面に前記透過型格子が形成されたものであることを特徴とする。
この発明は、また、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、前記光源用インデックススケールは、透明基板を用いてこの透明基板の前記光源側の面に透過型格子が形成されたものであり、前記受光素子アレイは、前記透明基板の前記透過型格子が形成された領域に隣接する位置に前記受光面を前記透過型格子が形成された面と対向させて搭載されており、前記光源用インデックススケールと前記受光素子アレイとは、前記透明基板を共通基板として一体化されており、前記透過型格子、前記透明基板、前記メインスケールの順番で配置されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明は、また、所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、前記受光素子アレイは、前記光源用インデックススケールの前記相対変位方向の中央部に搭載され、前記光源用インデックススケールは前記受光素子アレイが搭載された領域の周囲に前記透過型格子が形成されていることを特徴とする。
この発明はまた、複数個の光源用インデックススケールを備えて、これら複数個の光源用インデックススケールが、前記受光素子アレイの周囲に配置されて前記受光素子アレイの受光面と前記複数の光源用インデックススケールの透過型格子面とを揃えて前記受光素子アレイと一体に構成されていることを特徴としている。
【００１３】
更にこの発明において好ましくは、前記受光素子アレイの前面に、前記メインスケールの格子とは所定角度傾斜した光透過部と不透過部が配列形成されてメインスケールとの間でモアレ縞を生じさせる透過型格子を構成する受光用インデックススケールが更に配置され、前記受光素子アレイは、半導体基板に前記モアレ縞を検出するための複数の受光素子が前記モアレ縞の周期方向に配列形成されたものとする。
更にまたこの発明において好ましくは、前記メインスケールの格子と前記光源用インデックススケールの格子とは、モアレ縞を生じさせるべく互いに所定角度傾斜させて配列され、前記受光素子アレイは、半導体基板に前記モアレ縞を検出するための複数の受光素子が前記モアレ縞の周期方向に配列形成されたものとする。
【００１４】
この発明に係る光学式エンコーダは、３格子システムの反射型エンコーダであって、受光側のインデックススケールを兼ねた受光素子アレイが光源用インデックススケールと一体に構成されているため、これらの取り付けの際のアラインメント調整が要らず、高性能特性を得ることができる。また、受光用インデックススケールを用いた場合と異なり、狭い受光面範囲で２相あるいは４相の変位出力信号を得ることができる。従って、スケール取付のアラインメント誤差の影響が小さく、４相間のバランスがよい出力信号を得ることができ、電気的調整が不要となる。
またこの発明において、モアレ縞を生じさせる受光用インデックススケールを配置し、あるいは光源用インデックススケールとメインスケールの間でモアレ縞を生じさせて、モアレ縞を検出する方式とすることにより、受光素子アレイの配列ピッチをそれ程微細化する事なく、高分解能特性を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、この発明の一実施例に係る光学式エンコーダの構成を示す斜視図であり、図２はその主要部の平面図である。第１の部材１０と第２の部材２０が所定ギャップをもって、矢印ｘで示すように相対移動可能に配置される。第１の部材１０の第２の部材２０に対向する面にはメインスケールＧ１が取り付けられている。メインスケールＧ１は、基板３１にＡｌ膜等による光反射部３２と非反射部３３（光透過部または光吸収部）とが所定ピッチＰｓで配列形成された反射型のスケールである。
【００１６】
第２の部材２０の第１の部材１０に対向する面には、メインスケールＧ１を照射する手段として、拡散光源であるＬＥＤ４０とその拡散光を受けて二次光源アレイを構成する光源用インデックススケールＧ２、及びメインスケールＧ１からの反射像パターンを受光するフォトダイオードアレイＰＤＡが配置されている。光源用インデックススケールＧ２は、透明基板５１のメインスケールＧ１に対向する側の面にＣｒ膜等による不透過部５２と光透過部５３とを所定ピッチＰａで配列形成した透過型格子である。フォトダイオードアレイＰＤＡは、例えばｎ型シリコン基板６１にｐ型層を拡散形成したフォトダイオード６２を所定ピッチＰｂで配列形成したものである。
【００１７】
この実施例においては、フォトダイオードアレイＰＤＡのシリコン基板６１と光源用インデックススケールＧ２の透明基板５１とは、同じ厚みを有し、それらの側面が接合されて一体化された状態で第２の部材２０に取り付けられている。
【００１８】
メインスケールＧ１のピッチＰｓと光源用インデックススケールＧ２のピッチＰａとは、フォトダイオードアレイＰＤＡの面上の幾何光学像パターンを検出する場合には、Ｐａ＝２ｎ・Ｐｓ（ｎは正の整数）を満たすように設定される。また、回折像パターンを検出する場合には、Ｐａ＝ｎ・Ｐｓを満たすように設定される。
メインスケールＧ１のピッチＰｓとフォトダイオードアレイＰＤＡのピッチＰｂとの関係は例えば、図３に具体例を示したように、各フォトダイオード６２の幅がＰｓ／２、間隔がＰｓ／４、従って、Ｐｂ＝３Ｐｓ／４を満たすように設定される。これによりフォトダイオードアレイＰＤＡからは、スケール変位ｘに応じて図４に示すように、Ａ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢの４相の出力電流が得られる。
【００１９】
これらの４相出力電流は、それぞれ電流電圧変換器６３ａ〜６３ｄにより電圧値に変換された後、差動増幅器６４ａ，６４ｂにより互いに１８０°位相がずれたＡ，ＡＢ相間、及びＢ，ＢＢ相間の差動がとられて、互いに９０°位相がずれたＡ，Ｂ相の二つの変位信号が得られる。これらの変位信号を公知の方法で処理することにより、スケール変位が求められる。
【００２０】
この実施例によると、受光部にはインデックススケールを用いることなく、実質的に３格子システムを応用した反射型の光学式エンコーダが得られる。また、フォトダイオードアレイＰＤＡと光源用インデックススケールＧ２とは基板を同じ厚みとしてこれらを接合して一体化しているため、これらを別々に取り付けた場合に生じる相対的な傾き等のアラインメント誤差が生じない。
【００２１】
また、受光用インデックススケールを用いる方式では、２相の変位出力信号のために空間的に離れた位置に二つの格子部を必要とし、４相の変位出力信号を得るためには空間的に離れた４個の格子部を必要とするのに対し、隣接フォトダイオードが異なる位相の変位出力を出すようにフォトダイオードを配列したフォトダイオードアレイＰＤＡを用いるこの実施例の方式では狭い受光面範囲で４相の変位出力信号を得ることができる。従って、光量分布のアンバランスの影響やスケール取付のアラインメント誤差の影響が小さい。
【００２２】
また、実公平７−８８８号公報に示されているように、光源用と受光用のインデックススケールを共通基板に形成すると、光源と受光素子はこのインデックススケールの同じ側に配置されるため、インデックススケールで直接反射されて受光素子に入る拡散光成分が無視できず、これが出力信号に重畳されて悪影響を与える。この実施例によると、光源用インデックススケールＧ２からの拡散光成分がメインスケールＧ１に入らずに直接フォトダイオードアレイＰＤＡに漏れ込むということがなく、出力信号のＳ／Ｎが高いものとなる。
【００２３】
図５は、別の実施例の光学式エンコーダの要部構成を図２に対応させて示す。先の実施例と異なる点を説明すれば、この実施例では、光源用インデックススケールＧ２は、透明基板５１の光源４０側の面に光透過部５３と不透過部５２を配列してスケール格子を形成している。そして同じ透明基板５１のスケール格子部に隣接する位置に、フォトダイオードアレイＰＤＡが受光面を下にして搭載されている。つまり、透明基板５１を共通基板として用いて光源用インデックススケールＧ２とフォトダイオードアレイＰＤＡが一体化されている。
この実施例によると、光源用インデックススケールＧ２とフォトダイオードアレイＰＤＡの一体化が、側面を接合する先の実施例より容易になる。
【００２４】
図６は、更に別の実施例の光学式エンコーダである。この実施例は図１の実施例を基本として、フォトダイオードアレイＰＤＡの両サイドに光源用インデックススケールＧ２ａ，Ｇ２ｂを配置し、更にフォトダイオードアレイＰＤＡの上部にも光源用インデックススケールＧ２ｃを配置して、光源４０からの拡散光をレンズ７０により更に拡大してこれらのインデックススケールＧ２ａ〜Ｇ２ｃに照射するようにしたものである。この場合も、インデックススケールＧ２ａ〜Ｇ２ｃとフォトダイオードアレイＰＤＡは、基板厚みを揃えて側面を接合して一体化される。
この実施例によると、フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面に３方からの照明によるメインスケールＧ１の反射像パターンが投影されるから、フォトダイオードアレイＰＤＡ上の光量分布が均一になる。
【００２５】
図７は、図５の構成法を利用して、実質的に図６と同様の構成を実現した実施例である。フォトダイオードアレイＰＤＡは、光源用インデックススケールＧ２の透明基板５１の透過型格子が形成された光源側の面の相対変位方向の中央部に受光面を下向きにして搭載されている。光源用インデックススケールＧ２の透過型格子は、フォトダイオードアレイＰＤＡの周囲に、即ちフォトダイオードアレイＰＤＡを挟む左右領域およびフォトダイオードアレイＰＤＡの上部に形成されている。
この実施例によると、１枚の光源用インデックススケール基板を用いて、実質的に図６と同様の構成が得られるから、アラインメントが容易である。
【００２６】
図８は、モアレ縞パターンを得る方式の光学式エンコーダの実施例の要部構成を示す斜視図であり、図９はその平面図である。メインスケールＧ１と光源用インデックススケールＧ２及び拡散光源４０の部分は、図５の実施例と同様である。光源用インデックススケールＧ２を形成した透明基板５１上にこの実施では、メインスケール格子に対して僅かに傾斜した光透過部８２と不透過部８１の配列によるモアレ縞生成用の受光用インデックススケールＧ３が形成されている。この受光用インデックススケールＧ３の不透過部８１と光透過部８２は、光源用インデックススケールＧ２の不透過部５２と透過部５２と同時に透明基板５１上にパターン形成される。
【００２７】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、受光用インデックススケールＧ３の格子面にその受光面を下にして搭載されている。フォトダイオードアレイＰＤＡは、ｎ型シリコン基板９１にｐ型層によるフォトダイオード９２を形成したものであるが、フォトダイオード９２の配列方向は先の実施例と異なり、形成されるモアレ縞の周期方向に配列される。
【００２８】
図１０は、メインスケールＧ１と受光用インデックススケールＧ３により形成されるモアレ縞とフォトダイオードアレイＰＤＡの関係を示す。図示のように各格子のピッチｄと格子の傾斜角θにより決まるモアレ縞が得られ、そのモアレ縞の１周期Ｐｍに対して、３Ｐｍ／４のピッチでフォトダイオード９２を配列することにより、スケール変位に伴うモアレ縞の変位によって、Ａ，ＢＢ，ＡＢ，Ｂの４相の変位信号を得ることができる。
【００２９】
この実施例によると、スケールピッチを微細化した場合にも、モアレにより実質的にスケールピッチを拡大することができ、フォトダイオードアレイＰＤＡの製造が容易になる。具体的に、例えばメインスケールＧ１の格子ピッチＰｓ、光源用インデックススケールＧ２の格子ピッチＰａ、受光用インデックススケールＧ３の格子ピッチＰｂを、Ｐｓ＝Ｐａ＝Ｐｂ＝８μｍ （＝ｄ）とし、θ≒２３．０７４°として、フォトダイオードアレイＰＤＡは、ダイオード幅１０μｍ 、ピッチ１５μｍ で配列することができる。
【００３０】
図１１及び図１２は、上記実施例を変形した実施例のそれぞれ図８及び図９に対応する構成である。この実施例では、モアレ用の受光用インデックススケールＧ３は光源用インデックススケールＧ２とは別に、フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面上に、金属膜の蒸着とパターニングによって不透過部８１と光透過部８２を形成して作られる。図１３はその様子を拡大して示した斜視図である。フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面は例えばＳｉＯ２のような絶縁膜９３で覆われ、この上に受光用インデックススケールパターンが形成される。
【００３１】
そして、光源用インデックススケールＧ２の透明基板５１とフォトダイオードアレイＰＤＡのシリコン基板９１を、図１の実施例と同様に同じ厚みとしてそれらの側面を接合して一体化している。
なおこの実施例のように受光用インデックススケールＧ３を一体形成したフォトダイオードアレイＰＤＡを、図８の実施例と同様に光源用インデックススケールＧ２の基板上に搭載して光源用インデックススケールＧ２と一体化することもできる。
【００３２】
図１４及び図１５は、モアレ方式の反射型エンコーダの他の実施例を示す要部斜視図と平面図である。この実施例では、モアレ用の透過型インデックススケールＧ２３を光源側に配置して、これを二次光源アレイを得るための透過型格子としても用いるようにしたものである。このフォトダイオードアレイＰＤＡの基板とインデックススケールＧ２３の基板は同じ厚みを有し、図１の実施例と同様に側面を接合して一体化されている。言い換えれば、図１１におけるモアレ用インデックススケールＧ３と光源側インデックススケールＧ２を共有として光源側に配置したものである。この方式は、光源用インデックススケールＧ２３とメインスケールＧ１との格子間でモアレ縞を生じさせるもので、フォトダイオードアレイＰＤＡの受光面積を大きく確保できる点で有利である。
【００３３】
図１６及び図１７は、更に別の実施例のモアレ方式の反射型エンコーダを示す要部斜視図と平面図である。モアレ用を兼ねた光源側のインデックススケールＧ２３が、透明基板５１の光源側の面に光透過部５３と不透過部５２を配列形成して構成されている。そして同じ透明基板５１の格子部に隣接する位置にフォトダイオードアレイＰＤＡがその受光面を下にして搭載されている。
この実施例によっても先の実施例と同様の効果が得られる。
【００３４】
なお図１４〜図１７の実施例は、光源側インデックススケールの格子をメインスケールの格子に対して傾斜させたが、この傾斜は相対的なものであるから、光源側インデックススケールは通常通りスケール変位方向に対しては直交する方向とし、メインスケールの格子をスケール変位方向に直交する方向から僅かに傾斜させたパターンとすることによっても、同様のモアレ縞を得ることができる。
【００３５】
この発明は上記実施例に限られない。例えば上記実施例では、光源用インデックススケールとフォトダイオードアレイはそれぞれ別個に形成した後に接合して一体化したが、インデックススケール基板上にアモルファスシリコン等の半導体膜を堆積して、この半導体膜を利用してフォトダイオードアレイを配列形成することもできる。フォトダイオードに代わってフォトトランジスタを用いることもできる。
また、光源用インデックススケールと拡散光源としてのＬＥＤを一体的に形成することも可能である。例えば、大きな発光面を持つＬＥＤの発光面上に直接インデックススケール格子を金属膜の蒸着、パターニングによって形成することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、３格子システムの反射型エンコーダであって、受光側のインデックススケールを兼ねた受光素子アレイを光源用インデックススケールと一体に構成することにより、受光素子アレイと光源用インデックススケールとの間のアラインメント調整が要らず、高性能特性を得ることができる。また、受光用インデックススケールを用いた場合と異なり、狭い受光面範囲で２相あるいは４相の変位出力信号を得ることができ、光量分布のばらつきやアラインメント誤差の影響が小さく、４相間のバランスがよい出力信号を得ることができて電気的調整が不要となる。
またこの発明によると、モアレ縞を生じさせる受光用インデックススケールを配置し、あるいは光源用インデックススケールとメインスケールの間でモアレ縞を生じさせて、モアレ縞を検出する方式とすることにより、受光素子アレイの配列ピッチをそれ程微細化する事なく、高分解能特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る光学式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２】同実施例の要部構成を示す平面図である。
【図３】同実施例のメインスケールとフォトダイオードアレイの配列関係を示す。
【図４】同実施例の出力電流特性を示す。
【図５】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図６】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図７】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図８】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図９】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１０】同実施例のモアレ縞とフォトダイオードアレイの関係を示す。
【図１１】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図１２】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１３】同実施例のフォトダイオードアレイの構成を示す斜視図である。
【図１４】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図１５】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１６】他の実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す斜視図である。
【図１７】同実施例の光学式エンコーダの要部構成を示す平面図である。
【図１８】３格子システムの透過型光学式エンコーダの構成を示す。
【図１９】３格子システムの反射型光学式エンコーダの構成を示す。
【図２０】３格子システムの明暗像パターン形成原理を示す。
【符号の説明】
１０…第１の部材、２０…第２の部材、Ｇ１…メインスケール、３１…基板、３２…光反射部、３３…非反射部、Ｇ２…光源用インデックススケール、５１…透明基板、５２…不透過部、５３…光透過部、４０…拡散光源、ＰＤＡ…フォトダイオードアレイ、６１…シリコン基板、６２…フォトダイオード、Ｇ３…受光用インデックススケール（モアレ用）、８１…不透過部、８２…光透過部、９１…シリコン基板、９２…フォトダイオード。
Claims (6)
- 所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、
前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、
前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、
前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、
前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、
前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、
前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面とが前記メインスケールに対向する側で同一面となるように一体に接合されており、
前記光源用インデックススケールは、透明基板を用いてこの透明基板の前記光源側の面と反対側の面に前記透過型格子が形成されたものである
ことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、
前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、
前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、
前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、
前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、
前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、
前記光源用インデックススケールは、透明基板を用いてこの透明基板の前記光源側の面に透過型格子が形成されたものであり、
前記受光素子アレイは、前記透明基板の前記透過型格子が形成された領域に隣接する位置に前記受光面を前記透過型格子が形成された面と対向させて搭載されており、
前記光源用インデックススケールと前記受光素子アレイとは、前記透明基板を共通基板として一体化されており、
前記透過型格子、前記透明基板、前記メインスケールの順番で配置されている
ことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、
前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、
前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる 光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、
前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる光源用インデックススケールとから構成され、
前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、
前記受光素子アレイと前記光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの受光面と前記光源用インデックススケールの透過型格子面を揃えて一体に構成されており、
前記受光素子アレイは、前記光源用インデックススケールの前記相対変位方向の中央部に搭載され、前記光源用インデックススケールは前記受光素子アレイが搭載された領域の周囲に前記透過型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。 - 所定ギャップをおいて相対移動可能に配置された第１，第２の部材の相対変位を光学的に測定するエンコーダにおいて、
前記第１の部材は、反射部と非反射部が所定ピッチで配列されて反射型格子を構成するメインスケールを有し、
前記第２の部材は、前記メインスケールを照射して所定の反射像パターンを生じさせる光照射手段と、前記メインスケールから得られる反射像パターンを検出する受光手段とを有し、
前記光照射手段は、拡散光を出す光源と、光透過部と不透過部が所定ピッチで配列されて透過型格子を構成して前記メインスケールを照射する二次光源アレイとなる複数個の光源用インデックススケールとから構成され、
前記受光手段は、半導体基板に複数の受光素子が配列形成されて前記反射像パターンを前記相対変位に応じて変調した変位出力信号を得ると共に隣接する前記受光素子間で異なる位相の前記変位出力信号を得る受光素子アレイにより構成され、且つ、
前記複数個の光源用インデックススケールは、前記受光素子アレイの周囲に配置されて前記受光素子アレイの受光面と前記複数の光源用インデックススケールの透過型格子面とを揃えて前記受光素子アレイと一体に構成されている
ことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記受光素子アレイの前面に、前記メインスケールの格子とは所定角度傾斜した光透過部と不透過部が配列形成されてメインスケールとの間でモアレ縞を生じさせる透過型格子を構成する受光用インデックススケールが更に配置され、
前記受光素子アレイは、半導体基板に前記モアレ縞を検出するための複数の受光素子が前記モアレ縞の周期方向に配列形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式エンコーダ。 - 前記メインスケールの格子と前記光源用インデックススケールの格子とは、モアレ縞を生じさせるべく互いに所定角度傾斜させて配列され、
前記受光素子アレイは、半導体基板に前記モアレ縞を検出するための複数の受光素子が前記モアレ縞の周期方向に配列形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式エンコーダ。
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