JPH05215574A

JPH05215574A - 光学式位置検出装置

Info

Publication number: JPH05215574A
Application number: JP4021009A
Authority: JP
Inventors: Isao Kawakubo; 功川窪
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1992-02-06
Publication date: 1993-08-24

Abstract

(57)【要約】【目的】装置全体の小型化並びに低廉価が可能な光学式
位置検出装置を提供することである。【構成】半導体基板１０の上面には、光検出部１１と、
バッファ層１２と、導波層１３とが一体的に形成されて
いる。この導波層１３のにはコリメータレンズ１４と、
チャープグレーティング１５と、ビームスプリッタ１６
とが形成されている。前記基板１０の端面には、レーザ
ダイオード１７が取着され、かくして読取りヘッド１８
が構成されている。この読取りヘッド１８に対して、相
対的に移動可能に設けられるスケール（基準尺）２０
は、低反射率の基板に高反射率のマスクを平行な複数の
直線をパターンとして形成され、移動物体に取着され
て、この移動物体の移動に伴って、長手方向に移動可能
となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、精密な位置読取りや位
置決めを必要とする各種の精密測定器や工作機械等に使
われる光学式位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、従来の光学式位置検出装置は、
図１１に示すように、ガラスやプラスチックの透明基板
１上に同一ピッチで不透明の縞状マーク２を多数形成し
て構成されたスケール（基準尺）３と、このスケール３
に光スポットＳの光をレンズを介して照射する発光素子
４並びにスケール３からの透過光を検出する受光素子５
とにより構成された読取りヘッド６とからなっている。
このような装置においては、スケール３が読取りヘッド
６に対して相対的に１ピッチ矢印方向（Ｄ１，Ｄ２方
向）に移動するごとに受光素子５でスケール３からの透
過光の光量変化を検出して電気信号に変換することによ
りスケール３の移動量を検出している。

【０００３】上記のような透過型の光学式位置検出装置
においては、図１１（Ａ）に示すように発光素子４と受
光素子５とは、夫々２組づつスケール３を挟んで対向し
て配置されいる。そして、これら２組の素子４，５は、
２つの光スポットＳが、図１１（Ｂ）に示すように、ス
ケール３上で４分の１ピッチずれるように設定されてお
り、これら２つの光スポットＳの位相関係によりスケー
ル３の移動方向に関する情報を得るようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記透過型の従来の光
学式位置検出装置には、２組の発光素子４と、受光素子
５とを夫々スケール３を挟んで配置しなければならない
ため、スケール３及び読取りヘッド６の小型化には物理
的に限度があり、これらを組み込んで使用する装置全体
の小型化を計る上で障害となっている。

【０００５】この透過型の欠点を解消するために、発光
素子と受光素子とをスケールの片側のみに配設した反射
型の光学式位置検出装置が、例えば実公昭６０−２７９
２６号で知られている。しかしながら、この従来例もス
ケールと素子との間の距離、素子の厚み等により、小型
化には限度があり、満足できるものではない。また、両
形式の装置とも、２組の発光素子と受光素子との精度の
良い位置合わせが必要であり、一般に、光学系を形成す
る光学部材の位置調整は専用の調整機と、繁雑な手順と
が必要なために、装置が高価となってしまう。したがっ
て、本発明の目的は、装置全体の小型化並びに低廉価が
可能な光学式位置検出装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる光学式位
置検出装置は、読取りヘッドと、このヘッドに対して相
対的に移動可能で反射パターを有するスケールとを具備
し、前記読取りヘッドは、半導体レーザと、この半導体
レーザからの放射光を導びく導波層と、導波層にて導か
れた光を前記スケールに集光させる薄膜回折格子と、ス
ケールからの反射パターンに応じた反射光を受光してス
ケールの相対的移動を表す電気信号を出力する半導体受
光素子とを同一半導体基板に配置することにより、一体
化されていることを特徴とする。

【０００７】

【作用】半導体レーザから射出された放射光は、導波層
によって薄膜回折格子に案内され、ここから読取りヘッ
ドに対して相対的に移動するスケール上に集光される。
この集光された光りは、スケールに形成された反射パタ
ーンに応じて反射され、半導体受光素子に受光されてス
ケールの相対的移動を表す電気信号に変換される。この
電気信号を処理することにより、スケールの移動距離並
びに／もしくは移動方向を知ることができる。

【０００８】

【実施例】以下に本発明の一実施例に係わる光学式位置
検出装置を、その製造方法の一例と共に添付図面を参照
して説明する。

【０００９】図１ないし、図３は完成された光学式位置
検出装置の斜視図、及び読取りヘッドの上面図並びに断
面図である。図中、符号１０は、Ｎ導電型の半導体基
板、例えばシリコン基板を示し、この上面の一部にＰ導
電型の不純物を選択的に拡散して基板中にＰＮ接合を形
成することにより、基板上面内に互いに隣接した２つの
半導体受光素子１１ａ，１１ｂからなる光検出部１１が
一体的に形成されている。そして、この基板１０の上面
には、全体に渡って、シリコン酸化膜よりなるバッファ
層１２が、基板表面を熱酸化することにより形成されて
いる。このバッファ層１２は、後述する導波層を伝波す
るスケールからの反射光が光検出部１１に効率良く入射
するように、光検出部１１上面が、他の部分に比して薄
く形成されている（図３）。このバッファ層１２の上面
には、全体に渡ってスパッタリング等の薄膜技術により
ガラス層、酸化亜鉛層等の導波層１３が形成されてい
る。この導波層１３の上面には、後述するレーザダイオ
ードからの発散光を平行光、即ち、矩形ビームに変換す
るコリメータレンズ１４と、この平行光を上方に位置す
る後述するスケール上に集光させるチャープグレーティ
ング１５と、これらコリメータレンズ１４とチャープグ
レーティング１５との間に位置するビームスプリッタ１
６とが、夫々所定間隔を有して形成されている。これら
コリメータレンズ１４と、チャープグレーティング１５
とビームスプリッタ１６とは、導波層１３の上面にレジ
ストを塗布し、電子ビームで所定の形状のチャープグレ
ーテングにパターンニングし、反応性イオンエッチング
等により導波層１３をエッチングしてパターンを導波層
１３に転写することにより形成された薄膜回折素子より
なる。前記半導体基板１０の一端面には、導波層１３と
アラインメントするようにしてレーザダイオード１７が
接着剤等により取着され、かくして読取りヘッド１８が
構成されている。この場合、図４に示すように、基板１
０に予め２本の平行な位置合わせマーク１０ａを前記コ
リメータレンズ１４，チャープグレーティング１５、ビ
ームスプリッタ１６を形成するときに、同時に形成して
おき、これに合わせてレーザダイオード１７を取着する
ことにより、光学素子相互間の位置ずれを防止してい
る。

【００１０】前記チャープグレーティング１５は、図５
に示すように、互いに隣接し平行に配設された２つのパ
ターン部１５ａ，１５ｂにより構成されている。これら
パターン部１５ａ，１５ｂは導波光の進行方向に徐々に
ピッチの細かくなる直線パターンとなっており、中心を
堺にして互いに導波方向にずれるように形成されてい
る。このパターンは以下のような計算より算出されてい
る。

【００１１】前記コリメータレンズ１４からの射出波の
位相をΦｃ、そしてチャープグレーティング１５からの
出射波の位相をΦdfとすると、 Φｃ＝ｋＮｙ ………………（１） Φdf＝−ｋ［（ｙ−ｆsin θ）² ＋（ｆcos θ）² ］^1/2 ……………（２）となる。チャープグレーティング１５のｍ番目のライン
形状は、光波がチャープグレーティングを通過した際に
発生する位相シフト量をΦ_FGとすると、Φ_FG−Φｃ＝２
ｍπ＋Ｃｏｎｓｔ（定数）により決定され、ｘ＝０，ｙ
＝０でｍ＝０となるように定数を決めると、

【００１２】Ｎｙ＋［（ｙ−ｆsin θ）² ＋（ｆcos θ）² ］^1/2 ＝−ｍλ＋ｆ…（３）となる。この（３）式を満たすｙの間隔で直線パターン
を配置していくことにより、図５に示すようなピッチの
直線状の集光パターンを得ている。尚、上記式で、Ｎは
導波路の実効屈折率、ｋは波数（２π／λ）、ｆは焦点
距離、θは射出角度、そしてｍは整数である。

【００１３】上記構成の読取りヘッド１８に対して、相
対的に移動可能に設けられるスケール（基準尺）２０
は、図６に示すように、低反射率の基板、即ち透明基板
２１に高反射率のマスク２２を平行な複数の直線をパタ
ーンとして形成したものであり、図示しない移動物体に
取着されて、この移動物体の移動に伴って、図中矢印Ｄ
１，Ｄ２で示す長手方向に移動可能となっている。この
ようなスケール２０と前記読取りヘッド１８とは、図７
に示すように、スケール２０の移動方向において、所定
の射出角で射出される光がスケール２０上に垂直に入射
するように、並行では無く、出射角に対応した角度を有
するようにして配置されている。この例では、読取りヘ
ッド１８の半導体基板１０を、三角形状の台座２９の傾
斜上面に配置することにより、出射角に対応する角度を
得ている。

【００１４】図７に示すように配置された読取りヘッド
１８とスケール２０とにおいては、図６に示すよなスケ
ール２０と、チャープグレーティング１５からの２つの
光スポットＡｓ，Ｂｓとの関係となる。即ち、パターン
部１５ａ，１５ｂから夫々射出される光ビームは、スケ
ール２０上に、スケール２０の幅方向に延び、互いにマ
スクパターンのピッチの１／４だけスケール２０の長さ
方向に変位した２つの直線状のスポットＡｓ，Ｂｓとし
て入射しする。このようにスケール２０に入射した光ビ
ームは、スケール２０が移動されると、低反射率の領域
（低反射率の基板）２１の所では、チャープグレーティ
ング１５に向かっては反射されず、高反射率のマスク２
２の所で反射された反射光のみがチャープグレーティン
グ１５に入射する。この入射光は、ビームスプリッタ１
６を介して光検出部１１に導かれ、スポット光Ａｓに対
応する光が、一方の半導体受光素子１１ａで、またスポ
ット光Ｂｓに対応する光が半導体受光素子１１ｂで、夫
々対応する電気信号に変換される。次に、上記光検出部
１１からの出力信号を処理する方法の一例を図８並びに
図９を参照して説明する。

【００１５】図８に示すように、前記半導体受光素子１
１ａ，１１ｂには、夫々半導体受光素子１１ａ，１１ｂ
からの出力信号を図９に示すようなデジタル信号に整形
するコンパレータ３０ａ，３０ｂが接続されている。一
方のコンパレータ３０ａの出力はＤ型フリップフロップ
回路３１のクロック端子に、また他方のコンパレータ３
０ｂの出力は同回路３１のデータ端子に夫々接続されて
いる。この結果、このＤ型フリップフロップ回路３１
は、両入力信号の位相の進み並びに遅れを出力端子から
方向判別信号として出力する。また、前記他方のコンパ
レータ３０ｂの出力は、入力信号のパルス数をカウント
し、このカウント数とスケール２０のスケールピツチと
の積から、スケール２０の移動量信号として出力するカ
ウンター３２に接続されている。

【００１６】今、スケール２０が矢印Ｄ１で示す一方向
に移動すると、図９（Ａ）に示すように、一方の半導体
受光素子１１ａかのら出力信号ａ１は、他方の半導体受
光素子１１ｂからの出力信号ｂ１に対して、９０度位相
が進んだ状態でＤ型フリップフロップ回路３１に入力さ
れ、Ｄ型フリップフロップ回路３１はＤ１で示す一方向
を検知した信号を出力する。一方、スケール２０が矢印
Ｄ２で示す他方向に移動すると、半導体受光素子１１ａ
かのら出力信号ａ１は、他方の半導体受光素子１１ｂか
らの出力信号ｂ１に対して、９０度位相が遅れた状態で
Ｄ型フリップフロップ回路３１に入力され、このフリッ
プフロップ回路３１はＤ２で示す他方向を検知した信号
を出力する。かくして、スケール２０が一方向に移動し
たか、他方向に移動したかは、Ｄ型フリップフロップ回
路３１の出力信号により判別される。また、カウンター
３２からの出力信号により、スケール２０の移動量が認
識される。

【００１７】なお、上記スケール２０上の光スポットＡ
ｓ，Ｂｓの幅（スケールの長さ方向の距離）は、レーザ
ダイオード１７からの射出レーザ光の波長をλ、及びチ
ャープグレーティング１５の長さをＬｙ並びに焦点距離
ｆに夫々依存し、光スポットの半値幅をＬｗとすると、
Ｌｗはほぼ２λｆ／Ｌｙとなり、例えば、λを０．７９
μｍ，ｆを１ｍｍ，そしてＬｙを１ｍｍとした場合に
は、Ｌｗは約１．６μｍとなり、２μｍのような非常に
小さいスケールピッチでスケール２０を形成しても、充
分に高い分解能を得ることができ、極めて精度の高い光
学式位置検出を行うことができる。

【００１８】上記実施例の光学式位置検出装置において
は、コリメータレンズ１４，チャープグレーティング１
５並びにビームスプリッタ１６は、電子ビーム描画のよ
うな同一工程で形成されるので、相互の位置誤差は極め
て少なく、例えば、サブミクロンのオーダにおさえるこ
とができる。また、これら光学素子を形成している回折
素子と、レーザダイオード１７との位置合わせは、回折
素子の描画のときに同時に描画され得る図４に示すよう
な、位置合わせマーク１０ａを用いて行われ得るので、
これらの間の位置置合わせも同様に精密にすることがで
きる。次に、他の実施例を図１０を参照して説明する。

【００１９】なお、前記実施例と実質的に同じもしくは
類似した箇所は、同一符号を付し、説明を省略する。こ
の実施例では、チャープグレーティング１５は光検出部
１１と導波層１３との間に、光検出部１１と平行に設け
られ、ビームスプリッタは省略されている。そして、ス
ケール２０は読取りヘッド１８に平行に配置されて相対
的に移動される。従ってチャープグレーティング１５よ
り斜めにスケール２０に向かって射出された光のスケー
ル２０での反射光は直接光検出部１１に受光される。こ
の実施例では、チャープグレーティング１５からの光は
スケール２０に対して斜めに入射するために光スポット
の幅が前記実施例の場合よりも大きくなり、分解能が少
し低下するが、読取りヘッド１８とスケール２０とを平
行に配置できるために、読取りヘッドを傾斜付ける三角
形の台座２９等が不要となり、全体をより小型化するこ
とができ、またビームスプリッタが不要となるので、製
造並びに構造が簡単になる効果を有する。

【００２０】

【発明の効果】本発明による光学式位置検出装置におい
ては、読取りヘッドを、半導体レーザからの放射光を導
びく導波層と、導波層にて導かれた光をスケールに集光
させる薄膜回折格子と、スケールからの反射光を受光し
てスケールの相対的移動を表す電気信号を出力する半導
体受光素子とを同一半導体基板に配置して一体化してい
るので、このヘッドを従来技術に比して大幅に小型化が
可能であり、例えばスペース的に余裕のない装置にも組
込むことができる。さらに、この半導体基板には、光源
である半導体レーザも一体的に集積化しているので、光
学素子間の位置調整を、これらの形成時に精度良く行う
ことができるので、形成後にこれらの位置調整を行う必
要が全くない。例えば、これら光学素子は、半導体デバ
イス作成技術を用いてサブミクロンオーダーの精度の誤
差で形成できる。また、製膜などの半導体デバイス作成
技術を流用できるために、大量生産した場合に、従来の
ものよりも製造コストをはるかに低くすることができる
効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる光学式位置検出装置
を示す斜視図である。

【図２】図１に示す装置の読取りヘッドを示す上面図で
ある。

【図３】図２に示す読取りヘッドの断面図である。

【図４】読取りヘッドの基板へのレーザダイオードの取
付けを説明するための図である。断面図である。

【図５】読取りヘッドのチヤープグレーテングを示す平
面図である。

【図６】光学式位置検出装置のスケールを入射光スポッ
トと共に示す平面図である。

【図７】スケールに対して読取りヘッドを傾斜して位置
付けた状態を示す斜視図である。

【図８】光検出部からの出力信号を処理するための電気
回路図である。

【図９】図８に示す電気回路のコンパレータからの出力
信号をスケールの移動方向に対応して示す波形図であ
る。

【図１０】他の実施例に係わる光学式位置検出装置を示
し（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は読取りヘッドの上面図、そ
して（Ｃ）は側面図である。

【図１１】従来の光学式位置検出装置を示し、（Ａ）は
全体の斜視図、そして（Ｂ）はスケールと光りスポット
スとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１０…半導体基板、１１…光検出部、１２…バッフア
層、１３…導波層、１４…コリメータレンズ、１５…チ
ャープグレーティング、１６…ビームスプリッタ、１７
…レーザダイオード、１８…読取りヘッド、２０…スケ
ール、２２…高反射率のマスク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】読取りヘッドと、このヘッドに対して相
対的に移動可能で反射パターンを有するスケールとを具
備する光学式位置検出装置において、前記読取りヘッド
は、半導体レーザと、この半導体レーザからの放射光を
導びく導波層と、導波層にて導かれた光を前記スケール
に集光させる薄膜回折格子と、スケールからの反射パタ
ーンに応じた反射光を受光してスケールの相対的移動を
表す電気信号を出力する半導体受光素子とを同一半導体
基板に配置することにより、一体化されていることを特
徴とする光学式位置検出装置。