(57)【要約】【課題】３枚格子理論による投影型エンコーダにおいて、検出信号のＳ／Ｎ比などを改善して精度の高いエンコード信号を得ること。【解決手段】投影型リニアエンコーダ１は、光透過格子３および格子状のホトダイオード４Ａ、４Ｂが形成されたシリコン基板からなる移動板５と、これに対峙している反射格子６が形成された反射格子板７を有している。反射格子板７は透明基板７１の表面に反射格子６が形成された構造となっており、当該透明基板７１の表面７１１および裏面７１２には反射防止膜７２、７３が形成されている。反射格子板７による不要光成分の反射を防止あるいは抑制して、検出信号のＳ／Ｎ比等を改善できる。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項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格子状に配列された受光素子とを有し、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速度を検出する投影型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は、基板と、この基板の表面に形成された前記反射格子を規定している格子状の反射膜あるいは凹凸部とを備えており、
前記基板の表面および／または裏面は、表面処理が施されて、反射防止面あるいは光吸収面となっていることを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項２】
請求項１において、
前記反射格子板が積層固定されている取付ベース面を反射防止面あるいは光吸収面としたことを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記反射防止面は、反射防止膜あるいは粗面加工により形成されていることを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記光吸収面は、黒色塗料の塗膜などの光吸収膜により形成されていることを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項５】
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格子状に配列された受光素子とを有し、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速度を検出する投影型エンコーダであって、
前記反射格子の長さは、少なくとも、前記受光素子の受光面長さの１．５倍であることを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項６】
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格子状に配列された受光素子とを有し、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速度を検出する投影型エンコーダであって、
前記受光素子の受光面に対向配置されている透明な保護部材を有し、
この保護部材を介して前記反射格子で反射された反射光像が前記受光素子の受光面に入射するようになっており、
前記保護部材の表面および／または裏面は、表面処理が施されて、反射防止面とされていることを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項７】
請求項６において、
前記反射防止面は反射防止膜により形成されていることを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項８】
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格子状に配列された受光素子とを有し、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速度を検出する投影型エンコーダであって、
前記受光素子の表面および／または前記光透過格子が形成されている部材の表面は、反射防止面とされていることを特徴とする投影型エンコーダ。
【請求項９】
請求項８において、
前記反射防止面は、反射防止膜あるいは粗面加工により形成されていることを特徴とする投影型エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３枚格子理論に基づく投影型エンコーダに関し、特に、受光素子にノイズ光が入射することを防止して、精度の高い検出信号を得ることのできる投影型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投影型エンコーダを提案している。この投影型エンコーダは、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】
この構成の投影型エンコーダでは、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（オブジェクト格子およびインデックス格子）として機能する。従って、反射格子（スケース格子）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投影型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制作しているので、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、投影型エンコーダでは、上記のように、光の反射により、反射格子板による反射光像を受光素子の受光面上に結像させている。従って、投影型エンコーダの各構成部品（反射格子板や半導体基板）の表面で反射した光がノイズ成分となって受光素子により受光される惧れが高い。受光素子によって不要光が受光されると、信号効率の低下、Ｓ／Ｎ比の低下などの弊害が発生する。
【０００８】
本発明の課題は、受光素子による不要光の受光量を低減あるいは抑制することにより、精度の高い検出信号を生成することのできる投影型エンコーダを提案することにある。
【０００９】
【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格子状に配列された受光素子とを有し、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速度を検出する投影型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は、基板と、この基板の表面に形成された前記反射格子を規定している格子状の反射膜あるいは凹凸部とを備えており、
前記基板の表面および／または裏面は、表面処理が施されて、反射防止面あるいは光吸収面となっていることを特徴としている。
【００１０】
ここで、投影型エンコーダの前記反射格子板は一般的に金属板等のベース板に積層固定される。この場合には、当該ベース板の取付ベース面を反射防止面あるいは光吸収面とすることが望ましい。
【００１１】
前記反射防止面としては、表面に反射防止膜を形成したもの、表面を粗面加工して乱反射面としたものを採用することができる。
【００１２】
また、前記光吸収面としては、黒色塗料の塗膜などの光吸収膜を表面に形成した構成のものを用いることができる。
【００１３】
次に、本発明の投影型エンコーダにおいては、前記反射格子の長さを、少なくとも、前記受光素子の受光面長さの１．５倍としたことを特徴している。このようにすると、光透過格子あるいは受光素子と反射格子の距離の変動に影響されることなく精度の高いエンコーダ信号を生成可能であることが確認された。
【００１４】
次に、受光素子は一般的にその受光面やワイヤボンディング部分を保護するためにパッケージに封入され、受光面に対向しているパッケージの部分には透明なガラスや樹脂などからなる光通過用の窓が形成されている。本発明の投影型エンコーダにおいては、前記受光素子の受光面に対向配置されている光通過用の窓を形成している透明な保護部材の表面および／または裏面に、表面処理を施して、反射防止面としたことを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の投影型エンコーダでは、前記受光素子の表面および／または、前記光透過格子が形成されている部材の表面に、表面処理を施して、反射防止面としたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した投影型リニアエンコーダの実施例を説明する。
【００１７】
（全体構成）
図１（ａ）および（ｂ）は本発明を適用可能な投影型リニアエンコーダの一例を示す概略構成図である。これらの図に示すように、投影型リニアエンコーダ１は、光源としてのＬＥＤ２と、光透過格子３（オブジェクト格子）およびホトダイオード群４Ａ、４Ｂ（インデックス格子）が作り込まれている半導体基板からなる移動板５と、反射格子６（スケール格子）が表面に形成されている反射格子板７（スケール板）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６を照射する。この反射格子６で反射された反射光像がホトダイオード群４Ａ、４Ｂで受光され、各ホトダイオード群４Ａ、４Ｂの検出信号が制御回路部８に供給される。
【００１８】
制御回路部８は、ホトダイオード群４Ａ、４Ｂ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相信号を形成する信号処理部９と、これらＡ相およびＢ相信号に基づき移動板５の移動速度、移動方向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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。また、９００ｎｍ以上の領域に中心波長帯域を有する赤外発光ダイオードである。
【００２１】
移動板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。各光透過格子３は、例えば、シリコン基板をエッチングすることにより形成した光透過部４１の表面に金属製の遮光膜４２を格子状にパターニングすることにより形成されている。この光透過領域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。
【００２２】
第１の受光領域２５のホトダイオード群４Ａは、交互に配列された第１および第２のホトダイオード３１、３２を含み、第１のホトダイオード３１からはＡ相信号が得られ、第２のホトダイオード３２からは位相が反転したＡ相の反転信号が得られるようになっている。同様に、第２の受光領域２６のホトダイオード群４Ｂも、交互に配列された第３および第４のホトダイオード３３、３４を含み、第３のホトダイオード３３からはＡ相信号に対して９０度位相のずれたＢ相信号が得られ、第４のホトダイオード３４からはＢ相信号の反転信号が得られるようになっている。
【００２３】
移動板表面２３には、アルミニウム薄膜からなる電極配線層３５、３６、３７、３８が形成されており、電極配線層３５はＡ相信号が得られる各ホトダイオード３１に接続され、電極配線層３６はＡ相反転信号が得られる各ホトダイオード３２に接続され、電極配線層３７はＢ相信号が得られる各ホトダイオード３３に接続され、また、電極配線層３８はＢ相の反転信号が得られるホトダイオード３４に接続されている。
【００２４】
この光源一体型移動ユニット２０はその各構成部分を保護するために後述のようにパッケージに収容されており、その前面部分（ホトダイオードの前面部分）に対向しているパッケージ部分には、光を入射および出射させるためのガラス製あるいは樹脂製などの透明板からなる窓が形成されている。
【００２５】
このように構成された本例の投影型リニアエンコーダ１では、移動板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、移動板５の背面を照射し、当該移動板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。
【００２６】
このように、移動板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。
【００２７】
また、第１の受光領域２５のホトダイオード３１、３２の出力に基づき、精度良くＡ相信号を得ることができ、第２の受光領域２６のホトダイオード３３、３４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、移動板５の移動方向も判別できる。
【００２８】
（実施例１）
上記構成の投影型リニアエンコーダ１において、図３に示すように、反射格子６が形成されている反射格子板７は、一般的に、ガラス、あるいは樹脂製の透明基板７１の表面７１ａに反射格子６が形成された構成となっている。反射格子６は金属薄膜を蒸着することにより形成する代わりに、入射光波長の１／４の深さの凹凸を透明基板表面にエッチングにより形成して、反射格子６を形成することも可能である。
【００２９】
ＬＥＤ２からの射出光は光透過格子３を通過した後に、反射格子板７の反射格子６で反射し、それらが形成されていない反射格子板７の表面領域を照射した光はガラス製などの透明基板７１を透過する。これにより得られる格子状の反射光像がホトダイオード群３１〜３４上で結像する。従って、透明基板７１の表面７１ａにおける反射格子６が形成されていない表面部分７１ｂ、および裏面７１ｃにおいて入射光が反射すると、これらの反射光成分がノイズ成分となってホトダイオード３１〜３４に入射してしまう。これらの反射光成分は表面部分７１ｂ、裏面７１ｃに入射した入射光成分の数パーセントにもなる。勿論、光の波長に応じて反射率は変化する。
【００３０】
また、一般に反射格子板７は、図３に示すように、金属製などのベース板１００のベース面１０１に積層固定される。このベース面１０１が研磨面であったり、防錆メッキ処理などが施された面であると、光沢があるので、当該ベース面１０１によっても不要光の反射率が高まってしまう。
【００３１】
このように、反射格子６以外の部分での不要反射光が増加すると、検出信号のＳ／Ｎ比が低下したり、検出信号に高調波成分が混入する等の弊害が発生する。
【００３２】
かかる弊害を回避するために、本発明による実施例１に係る投影型リニアエンコーダ１においては、図４（ａ）に示すように、透明基板７１の表面７１１の全体に反射防止膜７２を形成し、この上に反射格子６を形成してある。反射防止膜７２の代わりに、当該表面に光吸収膜を形成してもよく、表面を粗面仕上げとして乱反射面を形成してもよい。
【００３３】
また、透明基板７１の裏面７１２にも同様な処理を施してもよい。例えば、図４（ｂ）に示すように裏面７１２に反射防止膜７３を形成してもよい。さらには、ベース面１０１にも同様な処理を施しても良い。このような透明基板表面あるいは裏面の反射防止用の処理、およびベース面の反射防止用の処理は、これら全てを同時に採用してもよいし、単独で採用しても所定の効果が得られる。
【００３４】
例えば、透明基板７の裏面７１２を、黒色塗装を施して光吸収面としたところ、Ｓ／Ｎ比で数パーセントの改善が得られることが確認された。また、エンコーダ信号の信号波形の乱れも低下することが確認された。
【００３５】
（実施例２）
次に、図５には、本例の投影型エンコーダ１における光源（ＬＥＤ２）から結像面であるホトダイオード３１〜３４のまでの光路を示す模式図である。この図に示すように、ホトダイオード３１、３２とホトダイオード３３、３４は上下対称に配置されており、これらの間に光透過格子３が位置しており、これらに対峙する状態で反射格子板７に形成した反射格子６が位置している。反射格子６からの反射光像は、反射格子６とホトダイオード３１〜３４のギャップＧに応じて上下に広がり、ホトダイオード３１〜３４で受光される。従って、反射格子６の長さＬ１は、受光側の上下のホドダイオードの両端間の長さＬ２よりも小さくてよい。
【００３６】
しかしながら、本発明者等の実験によれば、反射格子６の長さＬ１を、少なくとも、ホトダイオードの両端間距離（受光面長さ）Ｌ２の１．５倍にすると、ギャップＧの広狭に影響されることなく、ホトダイオード３１〜３４において適切な状態で反射光像を受光できることが確認された。この知見に基づき、本願発明の実施例２に係る投影型エンコーダ１においては、反射格子６をホトダイオード３１〜３４の受光面長さＬ２の１．５倍以上の長さＬ３に設定してある。
【００３７】
（実施例３）
次に、投影型エンコーダ１においては、そのホトダイオード３１〜３４が形成されている半導体基板表面（移動板表面）２３には受光面や電極配線などが露出しているので、保護用のセラミック製、樹脂製、あるいは金属製などのパッケージに封入されるのが一般的である。この場合、図６に示すように、ホトダイオード３１〜３４の受光面に対向しているパッケージ部分は光透過用の窓とされており、一般には透明ガラスや透明樹脂などからなる保護部材１１０により窓が形成されている。
【００３８】
この場合、当該保護部材１１０の表面１１１あるいは裏面１１２において透過光が反射すると、それがホトダイオード３１〜３４に入射する不要光成分になる惧れがある。不要光成分がホトダイオードで受光されると、信号のＳ／Ｎ比が低下し、また、検出信号レベルの低下を招くので好ましくない。
【００３９】
そこで、本願発明の実施例３に係る投影型エンコーダ１においては、図６に示すように、この保護部材１１０の表面１１１および裏面１１２に、反射防止処理を施してある。例えば、反射防止膜１１３、１１４を形成した構成を採用している。表面１１１および裏面１１２のうちの一方の面に反射防止処理を施しても所定の効果が得られる。
【００４０】
（実施例４）
一方、投影型エンコーダ１においては、受光素子としてホトダイオード３１〜３４が用いられているが、表面には金属製の電極薄膜３５〜３８などが形成されている。また、光透過格子３も、半導体基板表面２３に金属製の遮光膜４２を形成することにより構成されている。これら電極薄膜や遮光膜の表面は反射面として機能するので、図６に示すように、反射光像の一部がこれらの面で反射されて、再びホトダイオード３１〜３４に入射して、ゴーストやフレアなどの悪影響を及ぼす惧れがある。
【００４１】
そこで、本願発明の実施例４に係る投影型エンコーダ１においては、ホトダイオード３１〜３４が形成されている半導体基板表面２３に反射防止処理が施されている。また、光透過格子３を形成するための遮光膜４２の表面にも反射防止処理が施されている。これにより、不要な光成分がホトダイオード３１〜３４で受光されてしまうことを防止あるいは抑制できるので、検出信号のＳ／Ｎ比などを改善することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の３枚格子理論に基づく投影型エンコーダにおいては、その構成部品の表面での不要な光反射を防止あるいは抑制するようにしているので、検出信号のＳ／Ｎ比等を改善でき、精度の高いエンコード信号を得ることが可能になる。
【００４３】
また、本発明では、反射格子の長さを長くすることにより、反射格子と受光素子の間のギャップの増減に影響されることなく精度の高い検出信号を得ることが可能になる。
【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】不要光の反射に起因する弊害を説明するための説明図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の実施例１の構成を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例２の構成を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例３、４の構成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）
５　　移動板
６　　反射格子
７　　反射格子板
７１　透明基板
７１１　基板表面
７１２　基板裏面
７２、７３　反射防止膜
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
３１ないし３４　ホトダイオード
４１　薄膜部分
４２　遮光膜
１００　ベース板
１０１　ベース面
１１０　保護部材
１１１　保護部材の表面
１１２　保護部材の裏面
１１３、１１４　反射防止膜
【図１】
2004028862.tif 000003
【図２】
2004028862.tif 000004
【図３】
2004028862.tif 000005
【図４】
2004028862.tif 000006
【図５】
2004028862.tif 000007
【図６】
2004028862.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成14年7月17日(2002.7.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2004028862.tif 000009
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004028862.tif 000010
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2004028862.tif 000011
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2004028862.tif 000012