(57)【要約】【課題】分解能に優れ、かつ長寿命であり、しかもコンパクトに構成できる光学式エンコーダを提供する。【解決手段】この光学式エンコーダは、反射用の第１格子目盛を設けたメインスケールと、これに対向して配置される透過用の第２格子目盛を設けたインデックススケールと、インデックススケールの背面側に配置される受光部と、インデックススケールと同じ側に配置される発光素子を有する発光部３０ｂを備えている。発光部３０ｂには透過用の第３格子目盛２２が設けられ、この第３格子目盛２２は、前記発光部３０ｂを構成する発光素子１０ａの表面に、該発光素子１０ａの電極１６と同時に成膜して形成されている【選択図】図４
2006098413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出すべき一方の部材に取付けられたメインスケールと、前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取付けられて、前記メインスケールに対向して配置されたインデックススケールとを備え、
前記メインスケールには、所定間隔で反射用の第１格子目盛が設けられ、
前記インデックススケールには、スリット状の透過部分を所定間隔で設けた透過用の第２格子目盛が設けられ、かつ、該第２格子目盛の背面側に受光部が配置されており、
更に、前記メインスケールに対向して、前記インデックススケールと同じ側には、発光素子を有する発光部が設けられており、該発光部にスリット状の透過部分を所定間隔で設けた透過用の第３格子目盛が設けられ、この第３格子目盛が、前記第２格子目盛と同一面上に配置されており、
前記第３格子目盛は、前記発光部を構成する発光素子の表面に、該発光素子の電極と同時に成膜して形成されていることを特徴とする光学式エンコーダ。
【請求項２】
前記発光素子が発光ダイオードからなる請求項１記載の光学式エンコーダ。
【請求項３】
前記第３格子目盛は、前記発光ダイオードのｎ層の表面に、ｎ側電極を形成するのと同じ成膜方法で、該ｎ側電極と同時に成膜して形成されている請求項２記載の光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、計測器や、高精度の位置決め制御が必要な装置等に用いられる、相対位置の移動量を検出するための光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式エンコーダは、高精度の計測制御を高速に実行でき、高分解能、非接触という特徴から、測長等の計測機器用途の他、いわゆる計測制御用途として、例えば、プリント回路基板に電子部品を載せるための電子部品実装装置等のような搬送物の高精度の位置決め制御等に広く用いられている。そして、この光学式エンコーダは、近年の機械加工の進歩や半導体の微細化に伴い、リニアエンコーダ、ロータリーエンコーダ共に、高精度、高分解能が要求されている。
【０００３】
従来の光学式エンコーダの方式としては、光シャッタ方式が知られている。光シャッタ方式は、一般に、光源および受光素子の間に移動格子板であるインデックススケールおよび固定格子板であるメインスケールを対向して配置し、その背面から光を照射してメインスケールの移動に伴う光量変化を検出する構造となっている。
【０００４】
通常の光シャッタ方式においては、上記の原理より、検出信号が、メインスケールとインデックススケールを密着させた場合には三角波となるが、スケールの間隔を開けるにしたがって、光の拡散と回折の影響によってＳ／Ｎ比が低下してしまうので擬似ｓｉｎ波となる。したがって、この擬似ｓｉｎ波を正確に維持するためには、格子の対向間隔を正確に維持する必要があり、しかも分解能を上げるためには両スケールの対向間隔を非常に狭める必要がある。また、スケールの格子ピッチを狭めれば分解能が向上するが、格子間の隙間を狭めることには加工上の限界がある。
【０００５】
このような問題に対して高分解能を実現する方法として、フーリエスペクトルを利用したサブミクロンレベルの分解能を有するエンコーダが知られており、レーザ計測ハンドブック編集委員会編「レーザ計測ハンドブック」（平成５年９月２５日発行、丸善株式会社（東京））の３９６頁から３９７頁に開示されているような方法が既に知られている。
【０００６】
この方法は、半導体レーザ光を格子に照射し、格子によって生じる回折光の明暗パターンを一種の空間フィルタで選択して、ｓｉｎ波の信号を取出すようにしたものである。
【０００７】
図５にはこのような光学式エンコーダの構成の一例を模式的に示している。この光学式エンコーダ９５は、メインスケール６０と、このメインスケール６０に対向して配置されたインデックススケール７０と、インデックススケール７０の背面に設けられた受光素子８１を有する受光部８０と、メインスケール６０に対向して、インデックススケール７０と同じ側に配置された発光部４０より構成されている。
【０００８】
メンイスケール６０上には、一定の周期ｐで反射用の第１格子目盛６１が設けられている。また、インデックススケール７０は透明なガラス基板７２からなり、やはりメインスケールと同じ周期ｐでスリット状の第２格子目盛７１が設けられている。そして、図５では、２つの受光部８０の間に発光部４０が配置されており、発光部４０はレーザダイオード４１及び集光レンズ４２より構成されている。
【０００９】
この光学式エンコーダ９５によれば、発光部４０の点光源であるレーザダイオード４１から出射した光は、図５の点線で示すように集光レンズ４２により集光点４３にほぼ点状に集光された後、メインスケール６０に広がりながら向い、メインスケール６０上の第１格子目盛６１で反射された後に、インデックススケール７０の第２格子目盛７１を透過して、受光部８０に達する。
【００１０】
このとき、メインスケール６０上の第１格子目盛６１が回折格子として作用し、フレネル回折による光強度分布が、インデックススケール７０の第２格子目盛７１の表面上に得られる。そして、第２格子目盛７１と第１格子目盛６１との間隔ｄを、集光レンズの集光点４３から第１格子目盛６１までの距離に一致させると、インデックススケール７０の第２格子目盛７１の表面上のフレネル回折光強度分布には、第１格子目盛６１と同じ周期ｐで正弦波状に変化する成分が含まれる。
【００１１】
第２格子目盛７１は透過部と遮光部を交互に配置して形成してあり、その周期ｐは第１格子目盛６１と一致させてあるので、フレネル回折光強度分布の強い部分が第２格子目盛７１の透過部に一致する場合に受光素子８０の受光強度は最大となり、その遮光部分に一致する場合は受光強度は最小となる。メインスケール６０が図５におけるＸ方向に移動した場合、これに伴いフレネル回折光強度分布も移動するので、受光素子８０の受光強度の変化から、メインスケール６０とインデックススケール７０の相対移動量を検出することができる。
【００１２】
この方式によれば、通常の光シャッタ方式と異なり、フレネル回折光強度分布は格子間の対向距離ｄに依存しないので、メインスケールとインデックススケールを離すことができ、距離ｄの位置決め精度も大幅に緩和されるという利点がある。上記の従来技術によれば、ｐ＝８μｍ、ｄ＝２ｍｍの光学式エンコーダが実用化されており、分解能０．０２μｍ、格子間の距離ｄの変動許容値０．２５ｍｍという、高分解能が得られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
一般的に、光学式エンコーダの光源としては、レーザダイオードに較べ寿命やコストに優ることから、発光ダイオードが適用できることが好ましい。しかしながら、上記の光学式エンコーダの動作原理は、光源は点光源であることを前提としているので、上記従来技術を発光ダイオードを用いて実現しようとすれば発光領域の大きさを小さくして点光源に近づける必要がある。
【００１４】
しかしながら、一般的に発光ダイオードの発光面の面積当りの光出力の大きさはレーザダイオードに較べて小さいので、発光領域を小さくすると光出力も小さくなり、所望とする光強度が得られなくなるという問題がある。
【００１５】
また、上記の光学式エンコーダでは、発光部４０に集光レンズ４２を配置する必要があることから構造が複雑化し、装置の小型化が困難であるという問題もある。
【００１６】
本発明は、このような問題点を解決するためにされたもので、その目的は、分解能に優れ、かつ長寿命であり、しかも小型でコンパクトに構成できる光学式エンコーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明の光学式エンコーダは、位置検出すべき一方の部材に取付けられたメインスケールと、前記一方の部材に対して相対移動する他方の部材に取付けられて、前記メインスケールに対向して配置されたインデックススケールとを備え、
前記メインスケールには、所定間隔で反射用の第１格子目盛が設けられ、
前記インデックススケールには、スリット状の透過部分を所定間隔で設けた透過用の第２格子目盛が設けられ、かつ、該第２格子目盛の背面側に受光部が配置されており、
更に、前記メインスケールに対向して、前記インデックススケールと同じ側には、発光素子を有する発光部が設けられており、該発光部にスリット状の透過部分を所定間隔で設けた透過用の第３格子目盛が設けられ、この第３格子目盛が、前記第２格子目盛と同一面上に配置されており、
前記第３格子目盛は、前記発光部を構成する発光素子の表面に、該発光素子の電極と同時に成膜して形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の光学式エンコーダによれば、発光部に透過用の第３格子目盛が設けられ、この第３格子目盛が、第２格子目盛と同一面上に配置されているので、発光部の面光源が複数のスリット光源に分割されて第３格子目盛が回折格子として作用する。このため、各々のスリット光源によるフレネル回折光の周期ｐの成分が同位相で重なり合って強め合うので、発光面の面積当りの光出力の小さい発光素子を用いた場合でも、第２格子目盛上に充分な光強度を得ることができる。
【００１９】
また、この構造の光学式エンコーダでは、インデックススケールの背面側に、集光レンズを配置する必要がないので、構造が単純であり、装置の小型化が可能となると共に、製造コストも低下できる。
【００２０】
本発明の好ましい態様としては、前記発光素子が発光ダイオードからなる。この態様によれば、レーザダイオード等に比べて長寿命で低コストであり、しかも小型でコンパクトに構成できる光学式エンコーダを提供できる。
【００２１】
本発明の更に好ましい態様としては、前記第３格子目盛は、前記発光ダイオードのｎ層の表面に、ｎ側電極を形成するのと同じ成膜方法で、該ｎ側電極と同時に成膜して形成されている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、分解能に優れ、かつ長寿命であり、しかもコンパクトに構成できる光学式エンコーダを低コストで提供できる。したがって、この光学式エンコーダは、例えば、計測器や、高精度の位置決め制御が必要な装置等に好適に使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の参考例及び実施形態を説明する。
【００２４】
図１、２には、本発明を理解するための光学式エンコーダの参考例が示されている。ここで、図１は光学式エンコーダの構成を示す概略図、図２は同光学式エンコーダにおける発光部の拡大図であって、（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。なお、基本的な構成は図５と同じであるので、実質的に同一部分には同符号を付してその説明を省略することにする。
【００２５】
この参考例では、図１に示すように光学式エンコーダ９０は、メインスケール６０と、このメインスケール６０に対向して配置されたインデックススケール７０と、インデックススケール７０の背面に設けられた受光部８０と、メインスケール６０に対向して、インデックススケール７０と同じ側に配置された発光部３０より構成されている。
【００２６】
そして、図２に示すように、発光部３０にスリット状の透過部分を所定間隔で設けた透過用の第３格子目盛２２が設けられ、この第３格子目盛２２が、図１に示すようにインデックススケール７０上の第２格子目盛７１と同一面上に配置されている点が図５と異なっている。
【００２７】
メインスケール６０は、相対距離の移動量を検出するための反射用の第１格子目盛６１が周期ｐで設けられており、このメインスケール６０は、図示しない、相対移動する移動部又は固定部の一方に取付けられている。メインスケール６０としては、例えばガラス基板の表面にクロム等の金属によるライン状の反射膜を一定周期で配置したスリット列を形成したものが例示できる。また、第１格子目盛６１が、移動部又は固定部を構成する構造物本体の表面に直接形成されていてもよい。
【００２８】
インデックススケール７０は、やはりガラス基板７２上に周期ｐで第２格子目盛７１が設けられている透過用のスケールであり、格子目盛７１の形成方法としては、メインスケール６０と同様に、ガラス基板７２の表面上に、クロム等の金属によるライン状の反射膜を一定周期で配置したスリット列を形成する方法などが例示できる。
【００２９】
そして、インデックススケール７０の背面側には例えばフォトダイオードなどの受光素子８１からなる受光部８０が配置されており、この実施形態では、図１に示すように発光部３０を挟んで両側の２ヶ所に受光部８０が配置されている。
【００３０】
次に、発光部３０について説明する。
【００３１】
図２（ａ）は発光部３０の断面図を示している。発光部３０は発光素子１０とスリット板２０とより構成され、両者が接着剤５０を介して接合されている。そしてこの実施形態においては、発光素子１０として発光ダイオード１０ａが用いられている。
【００３２】
発光ダイオード１０ａは、ｐ側電極１１、絶縁層１２、ｐ層１３、活性層１４、ｎ層１５、ｎ側電極１６の順に積層されており、活性層１４が発光領域１７となるように構成されている。そして、この発光ダイオードは図２（ｂ）の破線で示すように円形状の発光領域１７を有している。発光ダイオード１０ａとしては、従来公知のものが使用でき特に限定されない。
【００３３】
なお、本発明における発光素子１０としては、面発光する発光素子が使用可能であり特に限定されないが、コストや発光寿命の点から、発光ダイオードを用いることが好ましい。また、その他の発光素子としては、例えば面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が挙げられる。
【００３４】
スリット板２０は、図２（ｂ）に示すように、ガラス基板２１からなり、その表面に、光を透過する部分と透過しない部分とが周期ｐで交互に配置された、スリット状の第３格子目盛２２が形成されている。この第３格子目盛２２は、ＣｒやＡｌ等の金属あるいはその酸化物などからなる薄膜であり、第３格子目盛２２の形成方法としては、従来公知の蒸着やエッチングなどの薄膜形成方法により設けることができる。
【００３５】
そして、スリット板２０は、第３格子目盛２２が発光面である発光ダイオード１０ａのｎ層１５と対向するように、透明で絶縁性を有するエポキシ樹脂などの接着剤５０により接着されている。したがって、この発光部３０は、第３格子目盛２２の透過部が発光面となる、スリット列状の発光面を有する光源となっている。
【００３６】
本発明においては、図１に示すように、発光部３０の第３格子目盛２２がインデックススケール７０の第２格子目盛７１と同一面上となるように配置される。これにより、後述するように周期ｐで並列された各々の光源によるフレネル回折光の周期ｐの成分がすべて同位相となるため、それらが重なり合って強め合うので、発光ダイオードのような面光源を用いても、充分な光強度を得ることができる。なお、本発明においては、第３格子目盛２２の間隔は必ずしも周期ｐに限られるものでなく、例えば２ｐ、３ｐのような周期ｐの整数倍であってもよい。
【００３７】
また、発光部３０は、図１に示すように、インデックススケール７０及び受光部８０と別に配置されていてもよく、受光部８０と発光部３０を一体に組み込んでもよい。更に、インデックススケール７０と、発光部３０のスリット板２０を共通化し、第２格子目盛７１と、第３格子目盛２２を一体の透明基板上に設けてもよい。
【００３８】
次にこの光学式エンコーダ９０の作用について説明する。
【００３９】
図２に示すように、発光素子１０である発光ダイオード１０ａに対して、図示しない電源によってｐ側電極１１からｎ側電極１６に向かって順電流を流すと、活性層１４の中の発光領域１７が発光し、主にｎ側電極１６の間から発光ダイオード１０ａの外部に、図２（ａ）の破線矢印に示す光３１が面状で放射される。
【００４０】
次に図１に示すように、発光部３０の面光源である発光ダイオード３１から出射した光は、第３格子目盛２２を透過することによって、周期ｐの複数のスリット状の光源となり、図２（ａ）の破線矢印に示す光３２がスリット状に放射される。
【００４１】
ここで、発光部３０の第３格子目盛２２と、インデックススケール７０の第２格子目盛７１とが同一面上に配置されているので、周期ｐで並列された光源は、各々の光源によるフレネル回折光の周期ｐの成分がすべて同位相となるため、それらが重なり合って強め合った状態でメインスケール６０上に到達し、第１格子目盛６１で反射され、インデックススケール７０の第２格子目盛７１を透過して、受光部８０に達する。
【００４２】
このとき、前記従来技術で述べたように、図１におけるインデックススケール７０の第２格子目盛７１の表面上に現れるフレネル回折光の強度は図中のＸ方向に周期ｐで正弦波的に変化する成分を持つので、フレネル回折光強度分布の強い部分が第２格子目盛７１の透過部に一致する場合に受光素子８０の受光強度は最大となり、その遮光部分に一致する場合は受光強度は最小となる。この受光素子８０の受光強度の変化から、メインスケール６０とインデックススケール７０の相対移動量を検出することができる。
【００４３】
このように、この光学式エンコーダによれば、例えば発光ダイオードのような、発光面の面積当りの光出力の大きさがレーザダイオードに較べて小さい発光素子を用いた場合でも、レーザダイオードの場合と同程度の光出力を得ることができる。また、レーザダイオードを用いた場合には必須であった集光レンズが不要となるため、装置の小型化が可能となり、製造コストを低減できる。
【００４４】
図３には、本発明を理解するための他の参考例が示されている。
【００４５】
この参考例では、発光部３０ａのスリット板２０に設けた第３格子目盛２２が、図２とは逆側、すなわち、ガラス基板２１の発光ダイオード１０ａ側でない面上に設けられている点が図２と異なっている。
【００４６】
図４には、本発明の実施形態が示されている。
【００４７】
この実施形態では、発光部３０ｂはガラス基板を有さず、発光素子１０となる発光ダイオード１０ａのｎ層１５の表面に第３格子目盛２２が電極１６と同時に形成されている。すなわち、ｎ層１５の上にｎ側電極１６を形成するのと同じ成膜方法で第３格子目盛２２がｎ側電極１６と同時に形成されている。
【００４８】
このように、本発明においては、第３格子目盛２２を直接発光素子上に、該発光素子の電極と同時に成膜して形成する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を理解するための参考例である光学式エンコーダの概略構成図である。
【図２】同光学式エンコーダの発光部の拡大図であって、（ａ）断面図、（ｂ）平面図である。
【図３】本発明を理解するための他の参考例である光学式エンコーダの発光部の拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態である光学式エンコーダの発光部の拡大断面図である。
【図５】従来の光学式エンコーダの概略構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０：発光素子
１０ａ：発光ダイオード
１１：ｐ側電極
１２：絶縁層
１３：ｐ層
１４：活性層
１５：ｎ層
１６：ｎ側電極
１７：発光領域
２０：スリット板
２１：ガラス基板
２２：第３格子目盛
３０、３０ａ、３０ｂ：発光部
３１、３２：光
５０：接着剤
６０：メインスケール
６１：第１格子目盛
７０：インデックススケール
７１：第２格子目盛
７２：ガラス基板
８０：受光部
８１：受光素子
９０：光学式エンコーダ
ｐ：周期
ｄ：距離
Ｘ：移動方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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