JP6038581B2 - 迷光を遮るように構成された光学エンコーダリードヘッド - Google Patents

Description

本発明は、光学エンコーダ等の正確な位置又は変位を測定する機器に関し、具体的には、光学エンコーダリードヘッドに関する。

光学式の位置エンコーダは、スケールに対するリードヘッドの相対変位を決定するものであり、スケールはリードヘッドによって検出されるパターンを有している。通常、位置エンコーダは、周期的なパターンをもった１以上のトラックを有するスケールを利用するものである。そして、このトラックから生ずる信号は、このトラックに沿ったリードヘッドの変位又は位置に関する周期的関数となる。アブソリュート型の位置エンコーダにあっては、例えば、複数のスケールトラックを使用し、これにより、アブソリュート型スケールに沿った各位置において信号の固有の組み合わせを得る。

米国特許第７６０８８１３号

多様な応用例において、光学式のエンコーダリードヘッドは、検出器電子回路内に複数の金属層を備えることがある。いくつかの実施形態において、これらの金属層は、回路構成要素、例えば、トランジスタ、ダイオード、その他の部材に影響を与え得る光を遮蔽するために用いられることがある。これら回路構成要素は、迷光によって望ましくない影響を受け、これにより、望ましくない信号の破損が生じる可能性がある。多様な応用例においてリードヘッドは可能な限り小型化されることが望まれ、また、そのようなリードヘッドの検出器電子回路は、モノリシック検出器構造を有し、一つの集積回路内に収まることが望まれる。リードヘッドが小型化されるにつれ、金属層の重なり部分が小さくなどによって、迷光が信号の破損を生じさせる可能性が高まる。迷光の問題は、コンスタント（一定値）ではない光に関してより顕著な問題となる。例えば、周期的パターンを有するスケールによって反射又は透過される光は、トラックに沿ったリードヘッドの変位に応じて変化する。したがって、金属層の間を光が通り抜けてしまって、光を感知することを意図していない部材へ光が当たり、信号が破壊されるなどという事態は防止されることが望ましい。

本発明は、リードヘッドとトラックとの測定軸方向に沿った変位を測定する光学リードヘッドに関するものであり、特に、光学リードヘッドの回路構成要素に対する迷光の影響を減少させるためのものである。
多様な実施形態において、そのような光学リードヘッドは、トラックへ光源光を出力するように構成された照明部と、モノリシック検出器構造と、を備えてもよい。モノリシック検出器構造は、トラックからのスケール光を受光するように構成された第１トラック光検出器部と、第１金属層と、第２金属層と、第１金属層と第２金属層との間の複数のダミービアと、を備えてもよい。
複数のダミービアは、第１と第２の金属層の間を通り抜ける光の伝達を遮るように配置され、また、これら複数のダミービアは、モノリシック検出器構造上の回路要素間を接続するための複数の有効ビアを製造する工程と同じ工程によって形成されてもよい。
いくつかの実施形態において、トラックは互いに平行な第１トラック部と第２トラック部とを備え、第１トラック光検出器部は第１トラック部からのスケール光を受光するように構成され、さらに、モノリシック検出器構造は第２トラック部からのスケール光を受光するように構成された第２トラック光検出器部をさらに備えてもよい。
いくつかの実施形態において、複数のダミービアは、モノリシック検出器構造上の電流伝搬回路要素に電気的に接続されなくてもよい。
いくつかの実施形態において、複数のダミービアは、１つの方向に沿って細長の断面を有するダミービアを含んでもよい。
いくつかの実施形態において、複数のダミービアは、第１金属層の縁の付近において、第１金属層の縁に平行な列状に配置されてもよい。

光学エンコーダの分解図。 光学リードヘッドの検出器構造の部分断面図。 迷光を遮るように構成された光学リードヘッドの検出器構造の部分断面図。 迷光を遮るように構成された光学リードヘッドの検出器構造の部分的な上面図。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
図１は、本発明の検出器構造を利用することができる光学エンコーダ構成１００の１つの実施形態を概略的に図示する分解図である。図１に示されているように、エンコーダ構成１００は、スケール要素１１０と、電力・信号接続１９２によって信号生成・処理回路１９０に接続された信号処理電子回路１２０と、照明部１６０と、を備える。
照明部１６０は、可視波長又は不可視波長の光を放射する光源１３０と、レンズ１４０と、光源格子１５０と、を備える。（ただし、光源格子１５０は無くてもよい。）
光源１３０は、電力・信号接続（不図示）によって信号生成・処理回路１９０に接続されていてもよい。
図１に示されている例において、スケール要素１１０は、アブソリュート型スケールパターン１１５を有し、アブソリュート型スケールパターン１１５は、２つのトラックパターンとしてインクリメント型トラックパターンＴＩＮＣとアブソリュート型トラックパターンＴＡＢＳ１とを有する。トラックパターンＴＡＢＳ１は、その構成によって決まる絶対測定範囲内において絶対位置を決定するのに利用可能な信号をあたえるので、アブソリュート型トラックパターンとして参照される。
図１はまた、慣用的に使用される互いに直角なＸ、Ｙ、Ｚ方向を示している。
ＸとＹ方向はアブソリュート型スケールパターン１１５の平面に平行であり、Ｘ方向は意図した測定方向ＭＡに平行である（例えば、インクリメント型トラックパターンＴＩＮＣに含まれてもよい細長の格子パターン要素に垂直である）。Ｚ方向はアブソリュート型スケールパターン１１５の平面に垂直である。

信号処理電子回路１２０は、モノリシック検出器構造１２５を備え、モノリシック検出器構造１２５は、トラックパターンＴＩＮＣとトラックパターンＴＡＢＳ１とからの光をそれぞれ受光するように配置された検出器トラック部ＤＥＴＩＮＣと検出器トラック部ＤＥＴ１とを備える。信号処理電子回路１２０はまた、分析部１２６を備える。分析部１２６は、例えば、信号の調整、増幅、結合、比較などを行う回路を有する。多様な実施形態において、信号処理電子回路１２０は、単一のモノリシックＣＭＯＳＩＣとして構成されてもよい。以下に詳細に説明されるように、ここで開示される検出器構造並びに信号処理システム及び方法は、トラックパターンＴＩＮＣ及びＴＡＢＳ１からの光を受光する検出器トラック部ＤＥＴＩＮＣ及びＤＥＴ１のどちらか又は両方とともに使用するように構成されてもよい。

動作中、光源１３０から出力された光源光１３４は、レンズ１４０により部分的に又は完全に平行光とされ、トラックパターンを照射するのに十分なビーム領域にわたって照射されるようになっていてもよい。図１は、光源光１３４の２つの光路１３４Ａ、１３４Ｂを概略的に示している。光路１３４Ａは、トラックパターンＴＩＮＣを照射する光を含む代表的な光路である。トラックパターンＴＩＮＣが照射されると、トラックパターンＴＩＮＣに対応して空間的に変調された周期的な光のパターン（例えば、いくつかの実施形態においては、回折次数による干渉縞）が光路１１６Ａに沿って生じ、これは信号処理電子回路１２０の検出器部ＤＥＴＩＮＣにて受光される。
光路１３４Ｂは、トラックパターンＴＡＢＳ１を照射する光を含む代表的な光路である。
トラックパターンＴＡＢＳ１が照射されると、パターン、例えば空間的に変調された周期的な光のパターン（例えば、トラックパターンに対応してパターン化された光）又はコード化された光のパターンが光路１１６Ｂに沿って生じ、信号処理電子回路１２０の検出器部ＤＥＴＡＢＳ１にて受光される。
多様な実施形態において、エンコーダ構成１００としては、トラックパターンＴＡＢＳ１は、影像（例えば、ぼやけた又はぼやけていない影像）を検出器部ＤＥＴＡＢＳ１に造り出すように構成されていてもよい。
ここで、全ての空間的に変調された光のパターンは、スケール１１０と連動して移動することが理解されなければならない。検出器部ＤＥＴＩＮＣ及びＤＥＴ１の各々において、個々の光検出器領域は、それぞれの受光した空間的に変調された光のパターンを空間的に濾波し、所望の位置指示信号（例えば、直交信号又は信号補間の助けとなる空間位相関係を有する他の周期的信号）を与えるように配置されている。いくつかの実施形態において、個々の光検出器領域に代えて、既知の手段により、個々の開口を有する空間フィルターマスクでそれぞれ一回り大きな光検出器をマスクし、これにより図示されたような個々の検出器領域に相当する受光領域を生成するようにし、全体的に同様な信号効果が得られるようにしてもよい。

いくつかの適度な解像度の（例えば、４０マイクロメートル程度又はそれ以上の細かいトラック波長の）実施形態において、エンコーダ構成１００としては、トラックパターンＴＩＮＣは、影像を検出器部ＤＥＴＩＮＣ上に造り出すように構成されていてもよい。
比較的高い解像度の実施形態において、トラックパターンＴＩＮＣは、一般的に、回折光を作り出すように構成される。
例えば、約８ミクロン又はそれ以下の細かいトラック波長を有する実施形態において、エンコーダ構成１００は、周知の方法に基づいて、回折された光（例えば、プラスまたはマイナス一次の回折光）が干渉縞を作り出し、これが検出器部ＤＥＴＩＮＣに達するように構成されてもよい。そのような実施形態において、光源格子１５０は一般的に省略される。例えば、約８−４０ミクロンの細かいトラック波長を有する他の実施形態において、エンコーダ構成１００は、周知の方法に基づいて、複数の回折された光が相互に作用して、検出器部ＤＥＴＩＮＣの面上に自己像（例えば、トールボット像又はフレネル像）を作り出すように構成されてもよい。自己像を生成する構成において、光源１３０はＬＥＤであってもよい。光源格子１５０は省略されてもよいし、又は、光源の寸法が十分に小さいいくつかの実施形態においては、選択的に使用されてもよい。
しかしながら、光束が広がるタイプの光源が使用される場合、光源格子１５０は最も理想的な自己像を与えるために必要になるだろう。そのような場合、周知の自己像照明原理に基づき、代表的な光路１３４Ａを囲んでいる光は、光源格子１５０の格子構造を通過して、トラックパターンＴＩＮＣのピッチ又は波長にほぼ一致するピッチで配置された格子の開口において部分的にコヒーレントな照明光の配列を生じさせ、この部分的にコヒーレントな光でトラックパターンＴＩＮＣを照射するようにする。
図１は、光源格子１５０の実施形態を示し、この光源格子１５０は、代表的な光路１３４Ｂが光源格子１５０の透明基板を通過するようにし、これによって、検出器トラックＤＥＴＡＢＳ１からの信号の品質に寄与する輝度及び平行度合いが光源格子１５０の格子構造によって乱されないようにしている。
他の実施形態において、代表的な光路１３４Ｂは光源格子１５０の格子構造を通過してもよい。（しかしながら、それは最適な構成とはいえない。）

多様な応用例において、信号処理電子回路１２０と照明システム１６０とは、例えばリードヘッド又はゲージ筐体（図示せず）内において互いに固定的に設けられ、既知の支持技術により、スケール１１０に沿った測定軸に対して相対的に案内される。
多様な応用例において、スケールは可動台に取り付けられてもよいし、又はゲージ軸等に取り付けられてもよい。
図１に示された構成は透過型の構成である。スケールパターン１１５は、光遮蔽部と、光透過部と、を備え、光透過部は、例えば、周知の薄膜パターニング技術を使用して透明基板上に形成されたものであり、空間的に変調された光を生じさせ、この光は、透過によって検出器トラックに受光される。必要であれば、周知技術に基づいて、同様な構成要素が反射型の実施形態において用いられてもよい。
ここで、照明システム１６０と信号処理電子回路１２０とは、スケール１１０の同じ側に配置され、角度をもった照明及び反射に応じて配置される。
エンコーダ構成１００は、米国特許第７６０８８１３号に開示されている同様な実施形態を参照することによってさらに理解されるだろう。

ここで、本開示の目的に対し、アブソリュート型エンコーダ構成を示している図１におけるＹ軸方向に沿ったスケール及び検出器トラックの順序及び配置が例としてのものであり、本発明を制限するためのものではないことは理解されなければならない。例えば、よりロバストなアブソリュート検出のために、第２トラックパターンは、細かい第１トラックパターンＴＩＮＣに隣接して配置されてもよい。

ここで、以降の図面と共に説明される光学リードヘッドを構成するための原理は、単一のトラック、例えば、ＴＩＮＣやＴＡＮＳに類似のトラックを使用するスケールに適用することができることは理解されなければならない。エンコーダ構成１００は例としてのものであり、本発明を制限するためのものではなく、このように開示することの目的は、以降の図面によって構成されるような光学リードヘッドを備えることができるような典型的な光学エンコーダ構成を実例で示すことである。

図２は、光学リードヘッド２００に設けられたモノリシック検出器構造２２５の部分断面図である。
モノリシック検出器構造２２５は図１のモノリシック検出器構造１２５と同様又は類似したものであってもよい。
モノリシック検出器構造２２５は、第１トラック光検出器部（不図示）と、第１金属層２３０と、第２金属層２４０と、部材層２５０と、を備える。第１トラック光検出器部は、例えば図１における検出器部ＤＥＴＩＮＣであって、トラック（例えば、スケール要素１１０）からのスケール光を受光するように構成されている。
第１金属層２３０は、スロット２６０を有する。スロット２６０の右にある第１金属層２３０の部分はＹ軸に沿って重なり距離ＯＬだけ第２金属層２４０と重なっている。スロット２６０等のスロットは、光検出器部に対応する位相マスクの開口部に対応していてもよいが、スロットはＩＣ内の多様な層の製造に対して付加的に必要とされる。

図２は、小型の光学リードヘッドにおける典型的な問題を示している。
第１金属層２３０と第２金属層２４０との重なり距離ＯＬは小型構成を維持するために小さくなければならない。いくつかの例において、重なり距離ＯＬは１０ミクロン未満である必要がある。結果として、スケール光ＳＬの一部（例えば、図１においてトラック部ＴＩＮＣ又はトラック部ＴＡＳＢ１等のトラック部から光路１１６Ａ又は光路１１６Ｂに沿って出力される光）は、第１金属層２３０と第２金属層２４０との間の層に沿って伝達され、そうしてそれが部材層２５０に入射する可能性がある。スケール光ＳＬの一部は、光検出器や、トランジスタ、又はダイオード等の構成要素に入射し、それらのなかの伝達信号を変化させ、望ましくない信号破損を生じさせる可能性がある。
通常、十分に大きな重なり距離ＯＬによってそのような信号破損は回避されるが、小型構成の場合、このような防止策がいつでも採り得るとはいえない。したがって、異なる手段によってそのような迷光を遮ることが望まれる。

図３は、迷光を遮るように構成された光学リードヘッド３００の検出器構造３２５の部分断面図である。
図３において、図２の２ＸＸ系統の番号と同じ接尾部ＸＸを有する３ＸＸ系統の番号を有する要素は、特にそうでないと記載された場合を除いて、同様又は同一の要素を示している。
図３に示された実施形態において、検出器構造３２５は付加的に、第１金属層３３０と第２金属層３４０との間に形成されたダミービア３７１を備える。ダミービア３７１は、第１金属層３３０と第２金属層３４０との間の層３７０に沿った光の伝達を遮るために配置されている。ここで、ダミービア３７１は、その機能を示すための例に過ぎないことは理解されなければならない。多様な実施形態において、光学リードヘッド３００などの光学リードヘッドは、ダミービア３７１と同様な複数のダミービアであって金属層の縁に沿って配置されたものを有する。実験的な結果によれば、信号の破損を防止するためには、多くの場合、例えば、１０ミクロン程度の大きな重なり距離ＯＬよりも複数のダミービアがより効果的であることが示されている。

多様な光学リードヘッドの実施形態において、複数のダミービアは検出器構造上の回路部材間を接続するための複数の有効ビアを製造する工程と同じ工程によって形成される。
いくつかの実施形態において、複数のダミービアはモノリシック検出器構造上の電流伝搬回路部材に電気的に接続されない。すなわち、それらは回路自体としては機能を有さず、迷光を遮るためだけに存在する。ダミービアは有効ビアと同じ工程で形成されるので、低コストかつ付加的又は特別な製造工程を必要としない簡便な方法によって、迷光に対してロバストな光学リードヘッドを製造することができる。ここで、典型的なモノリシック検出器構造が３つ以上の層を備え、迷光を遮るためにダミービアが必要に応じて多様な層の間に配置されてもよいことは理解されなければならない。

図４は迷光を遮るように構成された光学リードヘッド４００の検出器構造４２５の一部の上面図である。図４において、図３の３ＸＸ系統の番号と同じ接尾部ＸＸを有する４ＸＸ系統の番号を有する要素は、特にそうでないと記載された場合を除いて、同様又は同一の要素を示している。
図４は、第１金属層４３０と第２金属層４４０との間の一群のダミービア４７１Ｎを示している。
一群のダミービア４７１Ｎは、概略的に正方形の断面を有するビアを含む。しかしながら、いくつかの実施形態において、一群のダミービア４７１Ｎがスロット４６０に平行な方向に沿って細長の断面を有してもよいことは理解されなければならない。細長のダミービアは正方形の断面を有するビアよりも多くの光を遮る。ここで、一群のダミービア４７１Ｎは、スロット４６０の付近の、第１金属層４３０の縁４６０Ｅに平行な単一の列として配置されているが、この配置が一例に過ぎず、本発明を制限するものではないことは理解されなければならない。多様な実施形態において、それらはより強力な光遮蔽を与えるためにスロット４６０の付近において複数の列に配置されてもよい。スロット４６０の方向は例としてのものであり、本発明を制限するためのものではない。一群のダミービアは、第１金属層の縁に隣接する位置において、様々な方向のスロットに応じて配置されていればよい。

ここまで本発明の好ましい実施形態が図示され、説明されてきたが、本開示に基づいて図示され、説明された特徴の配置及び動作の順序に対して多数の変更が可能であることは当業者にとって明白であるだろう。すなわち、本発明の意図及び範囲から外れることなくこれらの実施形態に対して多様な変更が可能でることは明白であるだろう。

本発明の好適な実施形態を説明したが、様々な変形が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の趣旨を逸脱することなく様々な変更がなされ得る。

１００・・・光学エンコーダ、１１０・・・スケール、１１５・・・アブソリュート型スケールパターン、１１６Ａ・・・光路、１１６Ｂ・・・光路、１２０・・・信号処理電子回路、１２５・・・モノリシック検出器構造、１２６・・・分析部、１３０・・・光源、１３４・・・光源光、１３４Ａ・・・光路、１３４Ｂ・・・光路、１４０・・・レンズ、１５０・・・光源格子、１６０・・・照明部、１９０・・・信号生成・処理回路、１９２・・・電力・信号接続、２００・・・光学リードヘッド、２２５・・・モノリシック検出器構造、２３０・・・第１金属層、２４０・・・第２金属層、２５０・・・部材層、２６０・・・スロット、３００・・・光学リードヘッド、３２５・・・検出器構造、３３０ 第１金属層、３４０・・・第２金属層、３７０・・・第１金属層と第２金属層との間の層、３７１・・・ダミービア、４００・・・光学リードヘッド、４２０・・・検出器構造、４２０・・・金属層、４３０・・・第１金属層、４４０・・・第２金属層、４６０・・・スロット、４６０Ｅ・・・第１金属層の縁、４７１Ｎ・・・ダミービア。

Claims (6)

1. リードヘッドとトラックとの測定軸方向に沿った変位を測定する光学リードヘッドであって、
   前記トラックへ光源光を出力するように構成された照明部と、
   モノリシック検出器構造と、を具備し、
   前記モノリシック検出器構造は、
   前記トラックからのスケール光を受光するように構成された第１トラック光検出器部と、
   前記スケール光を透過可能なスロットが形成された第１金属層と、
   前記第１金属層に対して、前記測定軸と直交する前記スケール光の入射方向に離隔して設けられ、前記スロットを透過した前記スケール光が入射する第２金属層と、
   前記第２金属層に対して前記測定軸と直交する前記スケール光の入射方向に離隔して設けられた部材層と、
   前記第１金属層と前記第２金属層との間に形成され、前記部材層への前記スケール光の入射を遮る複数のダミービアと、を有し、
   前記第２金属層は、前記スロットの外縁の前記第１金属層と、前記光源光の入射方向において重複する部分を有し、
   前記複数のダミービアは、前記第１金属層と前記第２金属層との間の層を通りぬける光の伝達を遮るように、前記重複する部分の前記第２金属層と、前記第１金属層と、の間に配列される、
   光学リードヘッド。
2. 請求項１に記載の光学リードヘッドにおいて、
   前記トラックは、互いに平行な第１トラック部と第２トラック部とを備え、
   前記第１トラック光検出器部が第１スケールトラック部からスケール光を受光するように構成されており、
   前記モノリシック検出器構造がさらに、第２スケールトラック部からスケール光を受光するように構成された第２トラック光検出器部を備える
   ことを特徴とする光学リードヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学リードヘッドにおいて、
   前記複数のダミービアは、前記モノリシック検出器構造上の電流伝搬回路要素に電気的に接続されていない
   ことを特徴とする光学リードヘッド。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学リードヘッドにおいて、
   前記複数のダミービアは、１つの方向に沿って細長の断面を有する少なくとも１つのダミービアを含む
   ことを特徴とする光学リードヘッド。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学リードヘッドにおいて、
   記複数のダミービアは、第１金属層の縁の付近において、第１金属層の前記縁に平行な列状に配置されている
   ことを特徴とする光学リードヘッド。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学リードヘッドにおいて、
   前記複数のダミービアは、前記モノリシック検出器構造上の回路要素間を接続するための複数の有効ビアを製造する工程と同じ工程によって形成される
   ことを特徴とする光学リードヘッド。