JP5974329B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダに関する。

従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光電式エンコーダ（以下、「エンコーダ」という場合もある。）が利用されている。エンコーダは三次元測定機や画像測定機などに搭載される。エンコーダは、光源と、光学格子を含むスケールと、複数の受光素子を含むと共に光源と一緒にスケールに対して相対移動可能に配置され各受光素子が互いに位相の異なるインデックス格子を受光面に有する受光部と、を備えている。

エンコーダの動作を簡単に説明する。スケールを光源及び受光部に対して相対移動させながら光源からの光をスケールの光学格子を介してインデックス格子に照射する。これによって位相の異なる複数（例えば、４つ）の正弦波状の光の明暗パターンが生成される。この正弦波状の光の明暗パターンが光信号となる。これら位相の異なる光の明暗パターンを、各位相に対応する受光素子で受光し、光電変換によって発生した電気信号を利用して直線などの変位量を測定する。

ところで、一次元測定を目的とするエンコーダの場合、複数の受光素子は、測定軸に沿って１列に配置するのが一般的である（例えば、特許文献１）。

したがって、変位量の測定の分解能を高くするには、当然、受光部に対して測定軸方向の幅が小さい受光素子をより多く配置することが望ましい。しかし、受光素子の大きさは、受光素子の製造プロセスによって決まる。言い換えれば、従来技術を用いた場合、光の明暗パターンの検出ピッチを、受光素子の製造プロセスで制約される受光素子の測定軸方向の限界幅よりも小さくすることは困難である。

特開２００５−２０８０１５号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたもので、受光部の高分解能化を実現した光電式エンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係る光電式エンコーダは、光源と、前記光源から照射された光により測定軸に沿った第１方向に光の明暗パターンを生成するスケールと、前記第１方向に配列された前記光の明暗パターンを検出する複数の受光素子からなる第１及び第２の受光素子列、並びに、前記受光素子の受光面上に形成され前記光の明暗パターンを遮る遮光部及び前記光の明暗パターンを通す透光部からなる遮光層を有する受光部とを備え、前記第１及び第２の受光素子列は、前記第１及び第２の受光素子列の受光素子の配置パターンが前記第１方向において周期が同じで且つ位相が異なるように前記第１方向と直交する第２方向にずらして配置され、前記第１の受光素子列の受光素子の受光面上の透光部分と前記第２の受光素子列の受光面上の透光部分とは、前記第２方向にずらしたときに相互に重ならないように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、受光部の高分解能化を実現した光電式エンコーダを提供することができる。

実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す図である。 実施形態に係る光電式エンコーダにおける受光部の受光素子の配置を説明する図である。 図２に示す受光素子の配置図に対して更に遮光層を表した図である。 実施形態に係る光電式エンコーダにおける受光部の電気的接続のイメージと受光部の等価回路を示す図である。 図３に示す受光部の光の明暗パターンの検出ピッチを示す図である。 従来技術に係る光電式エンコーダにおける受光部の受光素子の配置を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る光電式エンコーダについて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る光電式エンコーダ１の概略構成を示す図である。この実施形態は受光部の構造を主な特徴としているが、この理解の前提として光電式エンコーダ１について説明する。

先ず、エンコーダ１の構成から説明する。エンコーダ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）３と、ダイオード３からの光を変調するスケール５と、スケール５で変調された光を受光する受光部７とにより構成される。

ダイオード３からの光Ｌは、スケール５に照射される。ここで、発光ダイオード３は、光源の一例である。また、スケール５は、ガラスなどの透明材料から構成される長尺状の透明基板９を含み、図１にはその一部が表れている。透明基板９の発光ダイオード３側に向く面と反対側の面上には、光学格子１１が形成されている。光学格子１１は、複数の遮光部１３が所定のピッチを設けてリニヤ状に、且つ、各遮光部１３が図面の奥行き方向に延びるように配置されたものである。遮光部１３は、例えば、クロムなどの金属によって構成される。

受光部７は、スケール５とギャップを設けて配置されている。受光部７は、半導体チップであり、回路基板１５に搭載されている。受光部７には、図示しない複数のフォトダイオードが形成されている。これらのフォトダイオードの受光面は、光学格子１１側に向いている。フォトダイオードは、受光素子の一例であり、受光素子としては他にもフォトトランジスタを用いることもできる。また、受光部７の上部には、後述する遮光層２０が形成されている。回路基板１５には、演算用のＩＣチップ１７が搭載されており、受光部７の複数のフォトダイオードで検出された正弦波状の光の明暗パターン（以下、「光信号」と呼ぶこともある）を基にして、ＩＣチップ１７で変位量の演算が実行される。

受光部７等を搭載した回路基板１５は、発光ダイオード３と共にホルダ１９に取り付けられている。ホルダ１９は、スケール５の長手方向である測定軸の方向（以下、「Ｘ方向」と呼ぶ）に移動可能に設けられている。つまり、光電式エンコーダ１は、固定されたスケール５に対して、ホルダ１９を移動させることにより、変位量を測定する。なお、発光ダイオード３と受光部７を固定し、スケール５を移動させて変位量を測定するタイプにも、本実施形態を適用することができる。つまり、本実施形態の場合、スケール７は、発光ダイオード３及び受光部７に対して、相対移動ができるように設けられていれば良い。

次に、光電式エンコーダ１の測定動作について、簡単に説明する。
発光ダイオード３から光Ｌをスケール５の光学格子１１に照射すると、光学格子１１によってＸ方向に光の明暗パターンが生じる。そして、ホルダ１９をＸ方向に移動させることによって生じる明暗パターンの変化（正弦波状の光信号）を、受光部７に形成された各フォトダイオードで検出する。

各位相の明暗パターンによって発生した電気信号は、遮光層２０及びフォトダイオードを介してＩＣチップ１７に送られる。ＩＣチップ１７では、Ａ相及びＢ相の明暗パターンに対応した電気信号に所定の処理（直流成分の除去等）が施された後に、これら処理された電気信号に基づいて変位量が演算される。そして、この演算結果が、図示しない表示部に出力される。以上が、光電式エンコーダ１の動作となる。

次に、本実施形態の受光部７について説明する。
受光部７は、例えば、ｐ⁻型の半導体基板を備える。ｐ⁻型の半導体基板としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。半導体基板の表面には、Ｘ方向に所定のピッチで、例えば、ｎ^＋型の半導体領域が形成されている。この半導体領域は、不純物領域ということもできる。半導体領域は、Ｘ方向と直交するＹ方向が長手方向となるように形成される。この構造によって、ｐ⁻型の半導体基板とｎ^＋型の半導体領域との接合部がフォトダイオード（受光素子）となる。また、半導体基板の表面のうち、半導体領域が形成された領域がフォトダイオードの受光面となる。

次に、本実施形態の受光部７におけるフォトダイオードの配置について説明するが、その前提として、従来技術の場合について簡単に説明しておく。なお、以下の説明において、Ｘ方向の長さを単に「幅」、Ｙ方向の長さを単に「高さ」と呼ぶこともある。

図６は、従来技術に係る光電式エンコーダの受光部におけるフォトダイオードの配置を説明する図である。従来技術の場合、複数のフォトダイオードＰＤがＸ方向（測定軸の方向）に１列に配置されている。フォトダイオードの幅をｗ、高さをｈとした場合、図６に示すように、光信号の検出ピッチｐは、ｗ以下にできない。そして、フォトダイオードＰＤの幅ｗの最小加工寸法は、フォトダイオードの製造プロセスによって決まる。つまり、従来技術の場合、光信号の検出ピッチは、光電式エンコーダの製造プロセスによって制限されることになる。

そこで、本実施形態では、受光部７におけるフォトダイオードの配置を次のように配置する。図２は、本実施形態に係る光電式エンコーダ１の受光部７におけるフォトダイオードの配置を説明する図である。

本実施形態の場合、受光部７は、半導体基板上にＹ方向に配置された複数の受光素子列ＬＲＬ＜０＞〜＜３＞を備える。

受光素子列ＬＲＬは、それぞれＸ方向に配置された複数のフォトダイオードＰＤからなる。フォトダイオードＰＤの幅をｗ、高さをｈとすると、各受光素子列ＬＲＬは、フォトダイオードＰＤの配置パターン（以下、フォトダイオードＰＤの配置パターンを単に「配置パターン」と呼ぶこともある）の周期（ピッチｐ）が最小でｗ、高さがｈとなる。

また、複数ある受光素子列ＬＲＬは全て、配置パターンのＸ方向の周期（ピッチｐ）が同一である。そして、所定の受光素子列ＬＲＬと他の受光素子列ＬＲＬの配置パターンは、Ｘ方向に所定の位相でずれている。このように、複数の受光素子列ＬＲＬを、Ｘ方向にずらして配置させることで、受光部７全体で見た場合、配置パターンのＸ方向の周期、つまり光信号の検出ピッチを、フォトダイオードＰＤのピッチｐよりも小さくすることができる。

具体的には、例えば、図２の場合、配置パターンのＸ方向の位相が同一の受光素子列ＬＲＬ＜０＞及び＜２＞を「第１の受光素子列」とし、同様に、配置パターンのＸ方向の位相が同一の受光素子列ＬＲＬ＜１＞及び＜３＞を「第２の受光素子列」とすると、第１の受光素子列と第２の受光素子列とは、配置パターンのＸ方向の位相のずれが１８０度になるように配置されている。この場合、光信号の検出ピッチを、ｐ／２まで縮小することができる。

但し、フォトダイオードＰＤを図２のように配置するだけでは、第１の受光素子列のフォトダイオードＰＤの受光面と、第２の受光素子列のフォトダイオードＰＤの受光面とのＸ方向における重複領域においては、光信号が第１の受光素子列と第２の受光素子列によって重複して検知されることになる。

そこで、この問題を解消するために、本実施形態では、更に受光部７に対して遮光層２０が設けられている。遮光層２０は、例えば、フォトダイオードＰＤの受光面上に形成された金属層などに形成することができる。

図３は、図２に示すフォトダイオードＰＤの配置図に対して更に遮光層２０を表した受光部７の平面図である。

遮光層２０は、フォトダイオードＰＤの受光面上であるが、光信号を遮る遮光部分２０ａと、光信号を通す透光部分２０ｂを含む。遮光層２０の遮光部分２０ａは、第１の受光素子列のフォトダイオードＰＤの受光面と第２の受光素子列のフォトダイオードＰＤの受光面とのＸ方向の重複領域の一部に形成されている。このように遮光層２０を形成することで、遮光部分２０ａが形成された領域については、第２の受光素子列との光信号の重複検知を回避することができる。

ここで、第１の受光素子列と第２の受光素子列による光信号の重複検知を完全に回避するには、フォトダイオードＰＤの受光面のうち透光部分２０ｂが形成された領域を「受光領域」とした場合、図３に示すように、第１の受光素子列の受光領域と第２の受光素子列の受光領域とがＹ方向にずらしたときに重ならないように遮光層２０の遮光部分２０ａを形成すれば良い。つまり、遮光層２０の遮光部分２０ａを、第１の受光素子列（図３においてはＬＰＬ＜０＞及び＜２＞）上において、第１の受光素子列のフォトダイオードＰＤの受光面と第２の受光素子列（図３においてはＬＰＬ＜１＞及び＜３＞）のフォトダイオードＰＤの受光領域とのＸ方向における重複領域上を含むように形成し、第２の受光素子列上において、第２の受光素子列のフォトダイオードＰＤの受光面と第１の受光素子列のフォトダイオードＰＤの受光領域とのＸ方向における重複領域上を含むように形成すれば良い。

次に、図２及び図３に示したフォトダイオードＰＤ間の電気的な接続方法について説明する。図４は、受光部７の電気的な接続方法を説明する図である。図中（Ａ）は、受光部７のフォトダイオードＰＤの配置図に対して電気的な接続関係のイメージを重ね合わせた図であり、図中（Ｂ）は、受光部７の等価回路図である。図４の場合、計８つの受光素子列ＬＲＬ＜０＞〜＜７＞が示されている。このうち、受光素子列ＬＲＬ＜０＞、＜２＞、＜４＞及び＜６＞は第１の受光素子列、受光素子列ＬＲＬ＜１＞、＜３＞、＜５＞及び＜７＞は第２の受光素子列に相当する。また、第１の受光素子列と第２の受光素子列の配置パターンのＸ方向の位相のずれは、図２及び図３と同様、１８０度となっている。なお、図中（Ａ）の太線Ｌ＜０＞及び＜１＞は、それぞれフォトダイオードＰＤのカソード側の配線を表している。

本実施形態の場合、配置パターンのＸ方向の位相が同じ複数の受光素子列において、Ｘ方向の同じ位置にあるフォトダイオードＰＤを並列に接続する。図４の場合、受光素子列ＬＲＬ＜０＞、＜２＞、＜４＞及び＜６＞のフォトダイオードＰＤのうちＸ方向に同じ位置にある４つのフォトダイオードＰＤ＜０＞、＜２＞、＜４＞及び＜６＞のカソードが共通に接続されている。同様に、受光素子列ＬＲＬ＜１＞、＜３＞、＜５＞及び＜７＞のフォトダイオードＰＤのうちＸ方向に同じ位置にある４つのフォトダイオードＰＤ＜１＞、＜３＞、＜５＞及び＜７＞のカソードが共通に接続されている。そして、すべてのフォトダイオードＰＤ＜０＞〜＜７＞のアノードはグランドに接続されている。

このようにＸ方向の同じ位置にあるフォトダイオードＰＤ同士を並列接続することで、Ｘ方向における１ピクセル当たりの受光領域を調整することができる。

最後に、本実施形態による効果を具体例に基づいてまとめる。図５は、図４に示す点線で囲まれた領域を拡大した図である。この例では、１個のフォトダイオードＰＤのピッチｐを１５．６μｍで形成している。図５の場合、第１の受光素子列ＬＰＬ＜２＞等と、第２の受光素子列ＬＰＬ＜１＞等の配置パターンのＸ方向の位相を１８０度ずらすことで、光信号の検出ピッチを、フォトダイオードＰＤのピッチｐ＝１５．６μｍの半分である７．８μｍにすることができる。このように本実施形態によれば、上述したように、受光素子の幅ｗにより制限されるピッチｐよりも小さい光信号の検出ピッチを実現することができる。また、図４を用いて説明したように、Ｘ方向の同じ位置に配置された受光素子同士を並列に接続することで、１ピクセル当たりの受光領域の調整も可能である。

なお、本実施形態の場合、受光素子をＹ方向に分割する必要があるため、Ｘ方向に受光素子を１列だけ配置する従来技術と比べ、１ピクセル当たりの受光領域は小さくなってしまう。但し、受光素子（受光素子列）の配置領域をＹ方向に広げることで、１ピクセル当たりの受光領域を確保することは可能である。この点において、本実施形態は、Ｙ方向のサイズに制約がない一次元測定を目的とする電光式エンコーダに特に有用である。

また、本実施形態では、複数の受光素子列の配置パターンのＸ方向の位相のずれが１８０度の場合について説明したが、受光素子列間の位相パターンのＸ方向のずれはこれに限定されるものではない。例えば、複数の受光素子列のＸ方向の位相を１２０度ずつずらして配置させた場合、光信号の検出ピッチを受光素子の配列ピッチｐの１／３まで狭くすることが可能である。

１・・・光電式エンコーダ、３・・・発光ダイオード、５・・・スケール、７・・・受光部、９・・・透明基板、１１・・・光学格子、１３・・・遮光部、１４・・・透光部、１５・・・回路基板、１７・・・ＩＣチップ、１９・・・ホルダ、２０・・・遮光層、２０ａ・・・遮光部分、２０ｂ・・・透光部分。

Claims (6)

1. 光源と、
   前記光源から照射された光により測定軸に沿った第１方向に光の明暗パターンを生成するスケールと、
   前記第１方向に配列された前記光の明暗パターンを検出する複数の受光素子からなる第１及び第２の受光素子列、並びに、前記受光素子の受光面上に形成され前記光の明暗パターンを遮る遮光部分及び前記光の明暗パターンを通す透光部分からなる遮光層を有する受光部と
   を備え、
   前記第１及び第２の受光素子列は、前記第１及び第２の受光素子列の受光素子の配置パターンが前記第１方向において周期が同じで且つ位相が異なるように前記第１方向と直交する第２方向にずらして配置され、
   前記第１の受光素子列の受光素子の受光面上の透光部分と前記第２の受光素子列の受光面上の透光部分とは、前記第２方向にずらしたときに相互に重ならないように形成されて、
   １つの前記受光面上において、１つの前記透光部分とこの透光部分を前記第１方向で挟む前記遮光部分が形成されている
   ことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記第１及び第２の受光素子列の受光素子の配置パターンの前記第１方向のずれは、前記受光素子の受光面の前記第１方向の幅よりも狭い
   ことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
3. 前記遮光層の透光部分の前記第１方向の幅は、前記受光素子の受光面の前記第１方向の幅の１／２よりも広い
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。
4. 前記受光素子の受光面のうち前記遮光層の透光部分が形成された領域を受光領域とした場合、
   前記遮光層の遮光部分は、前記第１の受光素子列上において、前記第１の受光素子列の受光面と前記第２の受光素子列の受光領域との前記第１方向における重複領域上を含むように形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光電式エンコーダ。
5. 前記第１及び第２の受光素子列の受光素子の配置パターンの前記第１方向における位相差は、１８０度である
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。
6. 前記受光部は、前記第２方向に交互に配置された複数の第１及び第２の受光素子列を有する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の光電式エンコーダ。

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