DE69320716T3

DE69320716T3 - Gerät zur Detektion von Verschiebungsinformation

Info

Publication number: DE69320716T3
Application number: DE69320716T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Ohta-ku Kato; Koh Ohta-ku Ishizuka; Hiroshi Ohta-ku Kondo; Satoshi Ohta-ku Ishii; Yasushi Ohta-ku Kaneda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1993-06-29
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2013-06-30
Also published as: EP0577088A3; DE69320716T2; EP0577088B2; EP0577088B1; DE69320716D1; EP0577088A2; US5657125A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Erfassung von Verschiebungsinformationen, das in dem Bereich von Werkzeugmaschinen, Messgeräten und dergleichen verwendet wird, um Linearverschiebungs- und Drehverschiebungszustände eines Objekts zu erfassen, eine dafür geeignete Erfassungseinrichtung sowie ein Antriebssteuerungsgerät, das dieses Gerät zur Erfassung von Verschiebungsinformationen verwendet.
Seit einiger Zeit besteht das Bedürfnis nach Linearkodierern, Drehkodierern usw. mit kleinen Abmessungen, geringem Gewicht und hohem Leistungsvermögen, die Verschiebungsinformationen eines sich bewegenden Objekts erfassen. Insbesondere sind kleine, leichte und hochpräzise Kodierer erwünscht, wenn sie in Steppern, Werkzeugmaschinen, verschiedenen Arten von Robotern für die Fertigung usw. eingebaut werden.
1 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte eines typischen Kodierers, der einer Anordnung gemäß dem Stand der Technik entspricht. Der in der Figur gezeigte Kodierer umfasst zwei Spaltreihen, eine in einer Hauptskala 64 befindliche Spaltreihe und in einer Nebenskala 65 ausgebildete Spaltreihen.
Wie in dieser Figur gezeigt ist, wird ein von einem Lichtabgabeelement 61 abgehender Strahl von einem Spiegel 62 umgelenkt, durch eine Linse 63 kollimiert und fällt auf die Hauptskala 64. Die Hauptskala 64 besteht aus einem transparenten Material wie Glas oder dergleichen oder einer dünnen Metallplatte, wobei die aus durchlässigen spaltförmigen Öffnungen gleicher Breite und aus abgedeckten Abschnitten bestehende Spaltreihe mittels Ätzen oder dergleichen ausgebildet ist.
Die durch die Hauptskala 64 durchgelassenen Strahlen fallen auf die Nebenskala 65, bei der die Öffnungen die gleichen Intervalle voneinander wie die Öffnungen der Hauptskala 64 aufweisen. Die durch die Öffnungen der Nebenskala 65 durchgelassenen Strahlen werden von einer Lichtempfangseinrichtung 66 empfangen.
Die Hauptskala 64 ist an dem (nicht dargestellten) zu messenden Objekt angebracht, ist aber zu einer Relativbewegung in der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung mit Bezug auf eine Erfassungskopfeinheit 60 fähig.
In Verbindung mit einer Bewegung der Hauptskala 64 werden auf der Oberfläche der Lichtempfangseinrichtung 66 aufgrund der Blendenwirkung der Öffnungen der Hauptskala 64 und derjenigen der Nebenskala 65 helle oder dunkle Signale erzeugt. Die Lichtempfangseinrichtung 66 erfasst die hellen oder dunklen Signale, wodurch Verschiebungszustände der Hauptskala 64, d. h. Verschiebungszustände des zu messenden Objekts gemessen werden.
Obgleich der in 1 gezeigte herkömmliche Kodierer bereits klein ist und bei geringen Kosten herstellbar ist, ist dessen Anzahl an Komponenten groß, was der Miniaturisierung des gesamten Geräts Grenzen setzt. Außerdem ist es schwierig, die Positionen der Komponenten beim Zusammenbau des Kodierers einzustellen, was der Kostenverringerung Grenzen setzt.
Eine weitere Anordnung gemäß dem Stand der Technik ist aus der GB-A-2 099 993 bekannt, in der ein photoelektrischer Verschiebungskodierer offenbart ist, bei dem unter Ausbildung eines Gitters eine Vielzahl von Lichtempfangsabschnitten geschichtet auf einer Glasplatte als einem Substrat angeordnet sind.
Weiterer Stand der Technik ist bekannt aus der Doktorarbeit „Dreigittergeber” von J. Wilhelm, 1978, Technische Universität Hannover, die ein Verschiebungserfassungsgerät unter Verwendung von drei Gittern offenbart.
Die Druckschrift JP-A-3-279812 offenbart als nächstliegender Stand der Technik einen Kodierer von Reflexions- bzw. Auflichtbauart unter Verwendung von drei Gittern.
Die Druckschrift US 4 840 488 offenbart einen Zweigitter-Kodierer von Transmissions- bzw. Durchlichtbauart.
Ferner ist aus der DE-A-40 06 789 ein Gerät zur Erfassung von Informationen bekannt, die eine Verschiebung eines Objekts betreffen, auf dem eine Gitterskala angebracht ist, wobei dieses ein Strahlabgabesystem zur Beleuchtung der Gitterskala mit einem Strahl umfasst und eine Lichtquelle und ein Lichterfassungselement aufweist.
Allerdings ist eine derartige Anordnung gemäß dem Stand der Technik mit dem Problem verbunden, dass sie ebenfalls einer Einschränkung bei der Miniaturisierung der gesamten Anordnung unterliegt, während es schwierig ist, beim Zusammenbau des Geräts die Position der Komponenten einzustellen und zu verhindern, dass von den Oberflächen des Gitters zu dem Lichterfassungselement Streulicht zurückkehrt.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zur Erfassung von Verschiebungen bereitzustellen, das leicht miniaturisiert werden kann, wobei verhindert wird, dass unerwünschtes (Streu-)Licht von den Oberflächen des Gitters zu dem Lichterfassungselement zurückkehrt.
Diese Aufgabe wird durch ein in Patentanspruch 1 definiertes Gerät zur Erfassung von Informationen, die eine Verschiebung eines Objekts betreffen, auf dem eine Gitterskala angebracht ist, gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Andere Ziele der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich.
1 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte eines herkömmlichen Linearkodierers.
2 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte eines Kodierers gemäß einem ersten Beispiel.
3 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte der in 2 gezeigten Lichtempfangseinrichtung.
4 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte einer Lichtempfangseinrichtung bei einem Kodierer gemäß einem zweiten Beispiel.
5 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte einer Lichtempfangseinrichtung bei einem Kodierer gemäß einem dritten Beispiel.
6 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte einer Lichtempfangseinrichtung bei einem Kodierer gemäß einem vierten Beispiel.
Die 7A und 7B zeigen schematische Ansichten einer Lichtempfangseinrichtung.
Die 8A und 8B zeigen schematische Ansichten einer Lichtempfangseinrichtung.
Die 9A und 9B zeigen schematische Ansichten einer Lichtempfangseinrichtung.
Die 10A und 10B zeigen schematische Ansichten einer Lichtempfangseinrichtung.
Die 11A und 11B zeigen schematische Ansichten einer Lichtempfangseinrichtung.
Die 12A und 12B zeigen schematische Ansichten einer Lichtempfangseinrichtung.
Die 13A und 13B zeigen schematische Ansichten einer Lichtempfangseinrichtung.
14 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels des Aufbaus des Geräts zur Erfassung von Verschiebungsinformationen.
15 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispiels eines mit dem Gerät zur Erfassung von Verschiebungsinformationen versehenen Antriebssystems.
16 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 1.
17 zeigt eine schematische Draufsicht der Ausführungsform 1.
18 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines nicht beanspruchten Beispiels.
19 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 2.
20 zeigt eine schematische Draufsicht einer Leiterrahmeneinheit der Ausführungsform 2.
21 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 3.
22 zeigt eine schematische Draufsicht einer Leiterrahmeneinheit der Ausführungsform 3.
23 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 4.
24 zeigt eine schematische Draufsicht der Ausführungsform 4.
25 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 5.
26 zeigt eine schematische Draufsicht einer Leiterrahmeneinheit der Ausführungsform 5.
Bei nachstehend beschriebenen Beispielen wird durch den Kodierer ein Strahl von einem Lichtabgabeelement auf eine Skala geworfen, auf der periodisch spaltförmige Öffnungen ausgebildet sind. Die durch die Öffnungen dieser Skala durchgelassenen Strahlen werden von einer Lichtempfangseinrichtung empfangen, die an zumindest einer Lichtempfangsoberfläche Öffnungen aufweist, wobei die Intervalle der Öffnungen die gleichen wie diejenigen der Öffnungen dieser Skala sind. Informationen hinsichtlich einer Relativverschiebung zwischen der Skala und der Lichtempfangseinrichtung werden auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Lichtempfangseinrichtung erfasst.
Im einzelnen weist diese Lichtempfangseinrichtung eine Vielzahl getrennter Lichtempfangselemente auf einem gemeinsamen Trägerbauteil auf, wobei zumindest auf einem Teil der Lichtempfangsoberflächen der Vielzahl von Lichtempfangselementen Öffnungen in einstückiger Bauweise ausgebildet sind, wobei die Intervalle der Öffnungen gleich denjenigen der Öffnungen der vorstehend genannten Skala sind und die Phasen der Öffnungen der jeweiligen Lichtempfangselemente in bezug aufeinander in Richtung der Skalenbewegung versetzt sind. Oder diese Lichtempfangseinrichtung weist auf einem gemeinsamen Trägerbauteil eine Vielzahl getrennter Lichtempfangselemente auf, wobei einige der Lichtempfangselemente auf den Lichtempfangsoberflächen in zu denjenigen der Öffnungen dieser Skala gleichen Intervallen in einstückiger Bauweise ausgebildete Öffnungen aufweisen, wobei Signale von den Öffnungen aufweisenden Lichtempfangselementen verwendet werden, um Informationen hinsichtlich einer Relativverschiebung zwischen der Skala und der Lichtempfangseinrichtung zu erfassen, während Signale von den Lichtempfangselementen ohne Öffnungen als Bezugssignale verwendet werden.
Des weiteren fällt bei einem der Kodierer gemäß den nachstehenden Beispielen ein kohärenter Strahl auf ein erstes Beugungsgitter, und das Beugungslicht von dem ersten Gitter fällt auf ein zweites, auf der Skala ausgebildetes Beugungsgitter. Zwei Beugungslichtstrahlen vorbestimmter Ordnungen von dem zweiten Beugungsgitter werden so geführt, dass sie auf den der Skala gegenüberliegenden Lichtempfangsoberflächen der Lichtempfangselemente einen Interferenzstreifen ausbilden, wobei auf den Lichtempfangsoberflächen der Lichtempfangselemente in zu denjenigen des Interferenzstreifens gleichen Intervallen spaltförmige Öffnungen in einstückiger Bauweise ausgebildet sind und Informationen hinsichtlich einer Relativverschiebung zwischen der Skala und den Lichtempfangselementen auf der Grundlage des Ausgangssignals von den Lichtempfangselementen erfasst werden.
2 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte eines Kodierers gemäß einem ersten Beispiel und 3 eine schematische Ansicht einer Lichtempfangseinrichtung bei dem in 2 gezeigten Gerät.
In der Figur ist mit der Bezugszahl 1 ein Lichtabgabeelement wie eine LED und dergleichen und mit der Bezugszahl 2 ein Spiegel bezeichnet, der einen von dem Lichtabgabeelement 1 abgegebenen Strahl reflektiert und ablenkt. Durch eine Linse (Kollimatorlinse) 3 wird ein von dem Spiegel 2 abgelenkter Strahl kollimiert und auf eine Skala 4 geworfen. Die Skala 4 besteht aus einem transparenten Grundmaterial oder aus einer dünnen Metallplatte, die eine als ein Gitter dienende Spaltreihe 4a aufweist und auf der mittels Ätzen oder dergleichen periodisch durchlässige spaltförmige Öffnungen und abgedeckte Abschnitte ausgebildet sind. Die Skala 4 ist an einem (nicht dargestellten) zu messenden Objekt angebracht.
Mit der Bezugszahl 5 ist eine Lichtempfangseinrichtung bezeichnet. Wie in 3 dargestellt ist, weist die Lichtempfangseinrichtung 5 auf einem Trägerbauteil 11 ein Lichtempfangselement 12 und eine an dem Lichtempfangselement 12 angebrachte Elektrode 13 auf. Auf der Oberfläche des Lichtempfangselements 12 ist eine als eine Gittereinheit dienende Spaltreihe 5a ausgebildet. Die Spaltreihe 5a kann außer durch Ätzen auch mittels eines Photolithographieverfahrens beispielsweise unter Verwendung eines Halbleiter-Belichtungsgeräts ausgebildet werden.
Bei diesem Beispiel wird der von dem Lichtabgabeelement 1 abgegebene Strahl von dem Spiegel 2 umgelenkt, durch die Linse 3 kollimiert und auf die Skala 4 geworfen. Von dem auf die Skala 4 geworfenen Strahl werden von dem Lichtempfangselement 12 Strahlen empfangen, die durch die Öffnungen der Spaltreihe 4a und die Öffnungen der Spaltreihe 5a der Lichtempfangseinrichtung 5 hindurchtreten. Bewegt sich die Skala 4 gemeinsam mit dem (nicht dargestellten) zu messenden Objekt, werden die hindurchtretenden Strahlen aufgrund der Blendenwirkung der Öffnungen der Spaltreihe 4a der Skala 4 und der Öffnungen der Spaltreihe 5a der Lichtempfangseinrichtung 5 moduliert. Die modulierten Strahlen werden von dem Lichtempfangselement 12 empfangen, wobei mittels allgemein bekannter Verfahren auf der Grundlage der Signale von dem Lichtempfangselement 12 Verschiebungsinformationen wie ein Verschiebungsbetrag der Skala 4 (d. h. des zu messenden Objekts) und dergleichen erhalten werden.
Bei diesem Beispiel sind die Nebenskala 65 und die Lichtempfangseinrichtung 66, die bei dem in 1 gezeigten herkömmlichen Beispiel zwei getrennte Komponenten sind, durch Ausbildung der Spaltreihe 5a auf der Oberfläche des Lichtempfangselements 12 als eine einzelne Komponente gemeinsam ausgebildet, wodurch der ganze Körper des Kodierers miniaturisiert wird.
Während beim Zusammenbau der Spaltreihen und der Lichtempfangselemente bei dem herkömmlichen Kodierer zudem ein mechanischer Haltemechanismus erforderlich ist, sind diese bei dieser Ausführungsform als eine einzelne Komponente aufgebaut und eine Positionierung zwischen der Spaltreihe und dem Lichtempfangselement ist nicht notwendig, wodurch der Zusammenbau erleichtert und Kosten verringert werden.
4 zeigt eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte einer Lichtempfangseinrichtung 5 bei einem Kodierer gemäß einem zweiten Beispiel. Dieses Beispiel weist einen Aufbau auf, der dem des ersten Beispiels mit Ausnahme dessen ähnelt, dass die Lichtempfangsoberfläche eines Lichtempfangselements 22 in vier Flächenbereiche 22a bis 22d aufgeteilt ist und dass auf diesen Flächenbereichen jeweils Spaltreihengitter 24a bis 24d mit zueinander unterschiedlichen Phasen ausgebildet sind.
In der Figur ist mit der Bezugszahl 21 eine Trägerplatte bezeichnet, und es werden von den Lichtempfangselementen 22a, 22b, 22c und 22d Strahlen empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Die jeweils an den Lichtempfangselementen 22a bis 22d angebrachten Elektroden 23a, 23b, 23c und 23d greifen Signale ab. Die jeweils auf den Oberflächen der Lichtempfangselemente 22a bis 22d befindlichen Spaltreihen 24a, 24b, 24c und 24d bestehen aus Öffnungen mit zu den Öffnungen der Spaltreihe 4a der Skala 4 gleichen Intervallen.
Bei diesem Beispiel sind die Elektroden 23a bis 23d jeweils an getrennten Lichtempfangselementen 22a bis 22d auf der Trägerplatte 21 ausgebildet. Die Spaltreihen 24a bis 24d sind auf den Oberflächen der Lichtempfangselemente 22a bis 22d ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Spaltreihen 24a bis 24d mittels Photolithographie ausgebildet werden können. Diese Spaltreihen 24a bis 24d sind derart angeordnet, dass ihre Phasen gegeneinander in der Richtung versetzt sind, in die sich die Skala 4 bewegt.
Bei diesem Beispiel wird von den Lichtempfangselementen 22a bis 22d eine Vielzahl von Signalen mit zueinander unterschiedlichen Phasen erhalten, wobei mittels allgemein bekannter Verfahren auf der Grundlage dieser Signale das zu messende Objekt betreffende Verschiebungsinformationen wie der Verschiebungsbetrag, die Verschiebungsrichtung und dergleichen erhalten werden. Des weiteren ist bei diesem Beispiel das eine Lichtempfangselement in eine Vielzahl von Lichtempfangselementen aufgeteilt, deren Ausgangssignale zueinander unterschiedliche Phasen aufweisen. Dementsprechend ist selbst bei einer weiteren Erhöhung der Anzahl der Signale lediglich ein einzelner Mechanismus notwendig, um die Lichtempfangselemente mechanisch festzuhalten, wodurch auf einfache Weise die Größe der Einheit minimiert wird, das Gerät miniaturisiert wird und Kosten verringert werden.
5 zeigt eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte einer Lichtempfangseinrichtung 5 bei einem Kodierer gemäß einem dritten Beispiel. Dieses Beispiel weist einen Aufbau auf, der dem des zweiten Beispiels mit Ausnahme dessen ähnelt, dass einige der mehrfach unterteilten Lichtempfangselemente zur Gewinnung von Bezugssignalen genutzt werden.
In der Figur ist mit der Bezugszahl 31 ein Trägerbauteil bezeichnet, und es werden von den Lichtempfangselementen 32a, 32b, 32c und 32d Strahlen empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Die jeweils an den Lichtempfangselementen 32a bis 32d angebrachten Elektroden 33a, 33b, 33c und 33d entnehmen Signale. Die auf den Oberflächen der Lichtempfangselemente befindlichen Spaltreihen 34a und 34b bestehen aus Öffnungen mit zu denjenigen der Spaltreihe 4a der Skala 4 gleichen Intervallen.
Die Lichtempfangseinrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist auf der Trägerplatte 31 mit getrennten Lichtempfangselementen 32a bis 32d und mit an die jeweiligen Lichtempfangselemente angebrachten Elektroden 33a bis 33d versehen. Die Spaltreihen 34a und 34b sind auf den Lichtempfangselementen 32a und 32b ausgebildet. Es ist zu beachten, dass die Spaltreihen 34a und 34b mittels Photolithographie auf den Lichtempfangselementen ausgebildet werden können. Diese Spaltreihen 34a und 34b sind derart angeordnet, dass ihre Phasen gegeneinander in der Richtung versetzt sind, in die sich die Skala 4 bewegt, wobei von den Lichtempfangselementen 34a und 34b Signale mit unterschiedlichen Phasen ausgegeben werden. Die Lichtempfangselemente 32c und 32d sind mittels Elektroden in Reihe geschaltet, wodurch Bezugssignale erhalten werden.
Bei diesem Beispiel dient die in 5 gezeigte Lichtempfangseinrichtung 5 als die in 2 gezeigte Lichtempfangseinrichtung. Der von dem Lichtabgabeelement 1 abgegebene und von dem Spiegel 2 umgelenkte Strahl wird durch die Linse 3 kollimiert, durch die Öffnungen der auf der Skala 4 ausgebildeten Spaltreihe 4a durchgelassen und von der Lichtempfangseinrichtung 5 empfangen. Während dieses Vorgangs überwachen die Lichtempfangselemente 32c und 32d als Bezugssignale eine Änderung der von der Lichtempfangseinrichtung 5 empfangenen Lichtmenge aufgrund eines Änderung der Ausgangsleistung des Lichtabgabeelements 1, eine Änderung der durch die Verschiebung der Skala 4 hervorgerufenen Durchlässigkeit und dergleichen. Dementsprechend werden stabile Bewegungsinformationen ohne eine Nullpunktverschiebung beispielsweise durch eine Korrektur der elektrischen Signale von den Lichtempfangselementen 32a und 32b erhalten, um so die Änderung der Lichtmenge auf der Grundlage dieser Bezugssignale auszugleichen.
Außerdem kann durch die Lichtempfangseinrichtung gemäß diesem Beispiel das Auflösungsvermögen weiter verbessert werden, indem das Gleichspannungssignal geteilt wird. Somit wird durch dieses Beispiel nicht nur ein preisgünstiges Gerät mit kleinen Abmessungen verwirklicht, sondern auch ein Kodierer, der ungeachtet einer Änderung der Lichtmenge Bewegungsinformationen präzise messen kann.
6 zeigt eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte gemäß einem vierten Beispiel, das bei einem Kodierer einer Interferenz-Bauart eingesetzt ist. Wie in der Figur gezeigt ist, wird durch ein Lichtabgabeelement 41 ein kohärenter Strahl abgegeben. Mit der Bezugszahl 42 ist ein Reflexionselement bezeichnet, und eine Linse 43 kollimiert den Strahl von dem Lichtabgabeelement 41. Ein Beugungsgitter (erstes Beugungsgitter) 44 beugt den durch die Linse 43 durchgelassenen Strahl. Auf der Oberfläche einer Skala 20 ist ein Beugungsgitter (zweites Beugungsgitter) 20a ausgebildet, das an dem (nicht dargestellten) zu messenden Objekt angebracht ist. Das Beugungsgitter 20a der Skala 20 und das Beugungsgitter 44 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Lichtempfangseinrichtungen 45 und 46 sind jeweils mit Spaltreihen 45a und 46b versehen, die auf den jeweiligen Oberflächen der Lichtempfangselemente einstückig ausgebildet sind.
Der von dem horizontal in einem (nicht dargestellten) Gehäuse befindlichen Lichtabgabeelement 41 abgegebene, divergente Strahl weist einen durch das Reflexionselement 42 umgelenkten Verlauf auf, wird durch das auf der Rückseite einer Glasplatte eines Fensters ausgebildete Beugungsgitter 44 durchgelassen und gebeugt und wird als das Beugungslicht 0-ter Ordnung R₀, das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₊₁, das Beugungslicht –1-ter Ordnung R_–1, usw. aufgeteilt und abgegeben.
Der sich geradlinig durch das Beugungsgitter 44 vorwärtsbewegende Strahl R₀ wird an einem Punkt P1 auf dem auf der Skala 20 ausgebildeten Beugungsgitter 20a reflektiert und gebeugt, so dass er in das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ⁺¹, das Beugungslicht –1-ter Ordnung R₀ ^–1 usw. aufgetrennt wird. Das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₊₁ und das Beugungslicht –1-ter Ordnung R_–1, die durch das Beugungsgitter 44 gebeugt wurden, werden jeweils an den Punkten P2 und P3 auf dem Beugungsgitter reflektiert und gebeugt, wobei das von dem Strahl R₊₁ erhaltene Beugungslicht –1-ter Ordnung R₊₁ ^–1 und das von dem Strahl R_–1 erhaltene Beugungslicht +1-ter Ordnung R_–1 ⁺¹ jeweils mit dem Strahl R₀ ⁺¹ auf der Lichtempfangseinrichtung 45 und dem Strahl R₀ ^–1 auf der Lichtempfangseinrichtung 46 interferieren. Ist das Teilungsmaß der auf den Lichtempfangseinrichtungen 45 und 46 ausgebildeten Spaltreihen 45a und 46b das gleiche wie das Teilungsmaß des Interferenzstreifens, erzeugen die Lichtempfangseinrichtungen 45 und 46 Signale, die ausgedrückt werden durch: sin(4πX/P) wobei P das Teilungsmaß des Interferenzstreifens und X der Verschiebungsbetrag ist. Auf diese Weise werden Bewegungsinformationen wie der Verschiebungsbetrag und dergleichen erhalten.
Im allgemeinen ist die Anzahl der Komponenten bei einem Kodierers der Interferenz-Bauart groß und ist die erforderliche Positionsgenauigkeit für jede Komponente sehr hoch, wobei die Positionierung in der Größenordnung von Mikrometern erfolgen muss. Dementsprechend ist eine Massenerzeugung schwierig und sind die Kosten kaum zu verringern.
Andererseits kann der Kodierer miniaturisiert werden, da ein Lichtempfangselement, das einen größeren Durchmesser als der Strahl aufweist, die Linse erübrigt und die Anzahl der Komponenten aufgrund der Ausbildung der Spaltreihe in einstückiger Bauweise mit dem Lichtempfangselement reduziert ist.
Durch den Kodierer kann eine Massenerzeugung verwirklicht werden, da das Problem einer genauen Positionierung der Lichtempfangselemente und der Spaltreihen, das beim Stand der Technik die Durchführung einer Positionierung erschwert, vermieden werden kann.
Der Kodierer kann die Gestaltung des optischen Systems erleichtern, da Signale erwünschter Phasen erhalten werden können, indem die Spaltreihen 45a und 46b so ausgebildet werden, dass deren Phasen gegeneinander versetzt sind. Auch kann auf einfache Weise ein stabiler Kodierer verwirklicht werden, der aufgrund des Vorhandenseins getrennter Lichtempfangselemente, auf die jeweils durch unterschiedliche Flächenbereiche der Spaltreihe durchgelassene Strahlen fallen, wobei Signale mit vier verschiedenen Phasen ausgegeben werden, ausgezeichnete Eigenschaften bei einer Ungleichmäßigkeit bezüglich des Reflexionsvermögens der Skala oder dergleichen aufweist.
Der Kodierer kann verhindern, dass von den Oberflächen der Beugungsgitter zurückkehrende Strahlen auf die Lichtempfangselemente fallen, da der Strahlengang des sich vorwärtsbewegenden Lichts und der Strahlengang des zurückkehrenden Lichts voneinander getrennt sind und eine Aufteilung der Strahlen und deren Vereinigung an unterschiedlichen Positionen des Beugungsgitters erfolgen.
Der Kodierer kann auf einfache Weise miniaturisiert und dünner gestaltet werden, da der Strahlengang des sich vorwärtsbewegenden Lichts und der Strahlengang des zurückkehrenden Lichts voneinander getrennt sind, so dass eine Mikrolinse mit kurzer Brennweite ausgebildet und der Abstand zwischen dem Lichtausgabeelement und der Linse verringert werden kann.
Der Kodierer kann auf einfache Weise miniaturisiert werden, da der Strahl von dem Lichtausgabeelement einen von dem Reflexionselement umgelenkten Verlauf aufweist, so dass selbst dann ein ausreichender Abstand zwischen der Linse und dem Lichtausgabeelement erhalten wird, der so lang wie eine erwünschte Brennweite ist, wenn die Glasplatte, an der die Linse befestigt ist, nahe an dem Lichtausgabeelement gelegen ist.
Der Kodierer kann nicht nur kleine Abmessungen aufweisen, sondern auch eine hohe Präzision und ein hohes Auflösungsvermögen, da das Teilungsmaß des Beugungsgitters auf der Skala für eine räumliche Auftrennung der Beugungslichtstrahlen fein genug ist, was eine Miniaturisierung erleichtert.
Bei der nachstehenden Beschreibung erzeugt das Lichtempfangselement entsprechend den auf die Lichtempfangsabschnitte bzw. entsprechend den auf den Lichtempfangsabschnitt fallenden Strahlen elektrische Signale und ist mit den Gittermustern bzw. dem Gittermuster versehen, die mit der Photolithographietechnik auf den Lichtempfangsabschnitten in einstückiger Bauweise ausgebildet sind.
Auch wird bei der nachstehenden Beschreibung durch das Gerät zur Erfassung von Verschiebungen eine Relativverschiebung des zu messenden Objekts mit Bezug auf das Lichtempfangselement auf der Grundlage einer Änderung der Phase der durch den Strahl von dem gemessenen Objekt ausgebildeten (Interferenz-)Streifen erfasst. Das Lichtempfangselement ist mit den ein Gittermuster aufweisenden Lichtempfangsabschnitten bzw. mit dem ein Gittermuster aufweisenden Lichtempfangsabschnitt versehen, wobei bei den Lichtempfangsabschnitten in Ansprechen auf die auf den Lichtempfangsabschnitten die (Interferenz-)Streifen ausbildenden Strahlen Ausgangssignale angelegt werden und das Gittermuster auf dem Lichtempfangselement in einstückiger Bauweise ausgebildet ist.
Bevorzugte Ausführungen können Gittermuster umfassen: die aus einem Harzmaterial bestehen, die Verdrahtungsmuster sind, die auf einer eine Halbleiterschicht bedeckenden transparenten Schicht ausgebildet sind, die zumindest aus der p-Schicht oder der n-Schicht einer Halbleiterschicht ausgebildet sind und dergleichen. Jedes der vorstehend genannten Gittermuster kann mittels einer Lithographietechnik ausgebildet werden, die bei den nachstehenden Ausführungsformen offenbart ist.
Die 7A und 7B zeigen schematische Ansichten des Lichtempfangselements. 7B zeigt in einer Einzelansicht die in der Draufsicht 7A mit a-a' und b-b' bezeichneten Querschnitte. In 7B weist der mit der Bezugszahl 50 bezeichnete Abschnitt den gleichen Aufbau wie eine typische Siliziumphotodiode auf, wobei auf einer Kathodenelektrode 51 an der Unterseite des Abschnitts 50 aufeinanderfolgend geschichtet eine n-Schicht 52 und eine p-Schicht angeordnet sind, so dass ein pn-Übergang ausgebildet ist. Des weiteren ist zum Schutz auf der p-Schicht 53 ein SiO₂-Film 54 ausgebildet.
Hier wird des weiteren auf dem SiO₂-Film 54 durch Filmbildungstechniken wie Schleuderbeschichten usw. ein Film 55 aus durchlässigem Material wie SiO₂ oder dergleichen ausgebildet. Der durchlässige Film (der Film aus durchlässigem Material) 55 wird mit einem Fotolack beschichtet. Anschließend wird der Film über eine Maske, auf der die Gittermuster aufgezeichnet sind, mit Licht belichtet; oder andernfalls werden die Gittermuster mit einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl aufgezeichnet und dann die Belichtung durchgeführt. Durch Ätzen mit Fluorwasserstoff und dergleichen werden nur die nicht erforderlichen Abschnitte des Fotolacks entfernt, so dass der verbleibende Fotolack auf dem durchlässigen Film 55 die Gitter 56 (Beugungsgitter) ausbildet. Andererseits wird mittels Fotoätzen ein Teil des die p-Schicht bedeckenden SiO₂-Films 54 entfernt, um Anodenelektroden 57 aus Aluminium oder dergleichen auszubilden. Wie in der Draufsicht gezeigt ist, sind zwei Anodenelektroden ausgebildet, die zwei Kanälen entsprechen, wodurch die Lichtempfangsabschnitte bereitgestellt werden, so dass durch Ausbildung eines Gitterpaares mit gegeneinander versetzten Phasen auf den entsprechenden Lichtempfangsabschnitten ein Signalpaar mit zueinander unterschiedlichen Phasen ausgegeben werden kann.
Hier sind die Gittermuster auf den Lichtempfangsabschnitten des Lichtempfangselements in einstückiger Bauweise ausgebildet, um ein einfaches und in den Abmessungen kleines Lichtempfangselement zu verwirklichen.
Durch Anwendung des vorstehend genannten Verfahrens zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen können die Lichtempfangsabschnitte und die Gittermuster auf einfache Weise einstückig aufgebaut werden, wodurch die Positionsbeziehung zwischen dem Gitter 56 und den Lichtempfangsabschnitten (bzw. dem Lichtempfangselement) mit sehr hoher Präzision eingegrenzt wird.
Ferner können bei Verwendung des vorstehend genannten Lichtempfangselements die Vorgänge beim Zusammenbau eines Verschiebungssensors erleichtert werden, und der Verschiebungssensor kann miniaturisiert werden.
Um die Funktion der Gitter 56 als die Beugungsgitter zu gewährleisten, muss der Abstand zwischen den Gittern 56 und der p-Schicht 53, d. h. den Lichtempfangsoberflächen, ausreichend größer als die Wellenlänge (Betriebswellenlänge) des auf das Lichtempfangselement fallenden Lichts sein. Im übrigen ist die Querschnittsform des Gitters 56 nicht auf rechteckige Formen eingeschränkt, sondern kann entsprechend der optischen Gestaltung in jeder optimalen Form (beispielsweise als Blaze-Gitter usw.) ausgebildet sein.
Obwohl das Lichtempfangselement bei der vorstehenden Gestaltung den durchlässigen Film 55 aufweist, auf dem die Gitter 56 ausgebildet sind, können die Gitter auch unmittelbar oberhalb des SiO₂-Films 54 ausgebildet werden, ohne den durchlässigen Film 55 auszubilden.
Die Gitter 56 des vorstehend genannten Lichtempfangselements bestehen aus Fotolack.
Die 8A und 8B zeigen schematische Ansichten eines weiteren Lichtempfangselements. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, sind (Beugungs-)Gitter als Verdrahtungsmuster aus Aluminium ausgebildet, die ebenfalls als Anodenelektroden 57 arbeiten. Wie in 8B gezeigt ist, können die Aluminiumverdrahtungen mit den Anodenelektroden 53 verbunden sein, oder andernfalls können sie von den Anodenelektroden 53 getrennt, aber außen mit der Kathodenelektrode, dem Massenanschluss der Schaltung oder dergleichen verbunden sein.
Die 9A und 9B zeigen schematische Ansichten eines weiteren Lichtempfangselements, das lediglich mit einem Paar des Gitters und des Lichtempfangsabschnitts versehen ist. In den 9A und 9B ist ein Abschnitt 50 eine typische Siliziumphotodiode, die gleich denen der in den 7A bis 8B gezeigten Ausführungsformen ist. Dieses Lichtempfangselement kommt ohne den durchlässigen Film 55 des in den 8A bis 8B gezeigten Elements aus und weist ein (Beugungs-)Gitter auf, das als ein als eine Anodenelektrode 57 arbeitendes Verdrahtungsmuster aus Aluminium unmittelbar oberhalb des SiO₂-Films 54 ausgebildet ist.
Die 10A und 10B zeigen schematische Ansichten eines noch weiteren Lichtempfangselements, das ebenfalls mit nur einem Paar des Gitters und des Lichtempfangsabschnitts versehen ist. Bei diesem Lichtempfangselement ist die Form der p-Schicht von derjenigen der p-Schicht der in den 9A bis 9B gezeigten Ausführungsform verschieden, wobei die p-Schicht nicht auf den Abschnitten ausgebildet ist, die durch die das Gitter bildende Aluminiumverdrahtung abgedeckt sind, das heißt, dass die p-Schicht in Form eines Gitters ausgebildet ist, um so die Kapazität des pn-Übergangs zu verringern und die Ansprechgeschwindigkeit des Elements zu erhöhen.
Die 11A und 11B zeigen schematische Ansichten eines noch weiteren Lichtempfangselements, das ebenfalls mit lediglich einem Paar des Gitters und des Lichtempfangsabschnitts versehen ist. In den 11A und 11B ist ein Abschnitt 50 eine typische Siliziumphotodiode. Bei diesem Lichtempfangselement ist auf dem SiO₂-Film 54 auf dem als eine typische Siliziumphotodiode arbeitenden Abschnitt 50 mittels des Schleuderbeschichtungsverfahrens ein als der durchlässige Film 55 dienender SiO₂-Film ausgebildet und ist das Phasengitter (Phasenbeugungsgitter) durch Entfernen eines Teils des durchlässigen Films 55 mittels Fotoätzen ausgebildet.
Die 12A und 12B zeigen schematische Ansichten eines weiteren Lichtempfangselements, das ebenfalls mit lediglich einem Paar des Gitters und des Lichtempfangsabschnitts versehen ist. In den 12A und 12B sind die gleichen Bauteile wie in den 1 und 2 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Bei diesem Lichtempfangselement ist die p-Schicht 53 selbst, die der Lichtempfangsabschnitt des als eine typische Siliziumphotodiode dienenden Abschnitts 50 ist, in Form eines Gitters ausgebildet.
Die 13A, 13B und 13C zeigen schematische Ansichten eines weiteren Lichtempfangselements, das ebenfalls mit lediglich einem Paar des Gitters und des Lichtempfangsabschnitts versehen ist. Zum leichteren Verständnis ist eine (einen Aluminiumverdrahtungsabschnitt aufweisende) Anodenelektrode 57 lediglich in diesen 13A bis 13C als transparent gezeigt. Die 13B und 13C zeigen jeweils die in der Draufsicht 13A mit a-a' und b-b' bezeichneten Querschnitte. Bei diesem Lichtempfangselement ist von der als die Lichtempfangsoberfläche des Elements dienenden p-Schicht der Teil, auf dem das Gitter nicht ausgebildet ist, mit einer Aluminiumverdrahtung abgedeckt.
Die Anzahl der auf einem Plättchen (”Spitze”) ausgebildeten Lichtempfangsabschnitte mit Gittern ist nicht wie bei der vorstehend genannten Gestaltung auf einen oder zwei Abschnitte eingeschränkt, sondern es können auf demselben Plättchen mehr als zwei Lichtempfangsabschnitte mit Gittern ausgebildet sein, die Signale mit zueinander unterschiedlichen Signalen ausgeben.
Auch kann auf einem Plättchen eine kleine Anzahl von Lichtempfangsabschnitten mit Gittern ausgebildet und der Wafer geschnitten werden, um als ein einzelnes Lichtempfangselement eine Vielzahl von Plättchen zu erhalten.
Die vorstehenden Lichtempfangselemente können nicht nur unter Verwendung von Photodioden verwirklicht werden, die gegenüber denjenigen der Lichtempfangselemente bei der vorstehend genannten Gestaltung unterschiedliche Materialien und unterschiedlichen Strukturen aufweisen, sondern auch durch Einsatz photoelektrischer Übertragungsvorrichtungen wie einem Phototransistor, einer CdS-Zelle usw., um im Ansprechen auf die auf die Lichtempfangsabschnitte fallenden Strahlen elektrische Signale auszugeben.
Bei dem Plättchen (Wafer), auf dem das Lichtempfangselement ausgebildet ist, können Verarbeitungsschaltungen wie eine Spannungsumwandlungsschaltung, eine Verstärkerschaltung und dergleichen und/oder andere Arten von gemeinsam mit dem vorstehend beschriebenen Lichtempfangselement zu verwendenden Schaltungen gemeinsam ausgebildet sein.
14 zeigt ein Beispiel des Aufbaus des Verschiebungssensors, der mit einem der Lichtempfangselemente gemäß der vorstehend genannten Gestaltung versehen ist.
Dieser Verschiebungssensor verwendet ein Lichtempfangselement 61B, das Lichtempfangsabschnitte 32B1 und 32B2 mit Gittern umfasst, und ein Lichtempfangselement 61C, das Lichtempfangsabschnitte 32C1 und 32C2 mit Gittern umfasst, wobei der grundsätzliche Aufbau sowohl des Lichtempfangselements 61B als auch des Lichtempfangselements 61C der gleiche wie bei einem der in den 7A bis 13C gezeigten Lichtempfangsabschnitte ist. Da dieser Verschiebungssensor mit Lichtempfangselementen 61B und 61C versehen ist, die auf den Lichtempfangsoberflächen ihrer Lichtempfangsabschnitte mit Beugungsgittern ausgebildet sind, erfolgt der Zusammenbau und die Herrichtung der Lichtempfangselemente mit Präzision. Dementsprechend sind die Elemente nicht nur klein, sondern erfassen auch präzise eine Verschiebung.
In 14 wird der von einem Lichtabgabeelement 1 wie einem Halbleiterlaser, einer Licht abstrahlenden Diode oder dergleichen abgegebene Strahl durch eine Linse 31A kollimiert und fällt dann vertikal auf ein Beugungsgitter 32A. Der Strahl wird durch das Beugungsgitter 32A durchgelassen und gebeugt und wird in eine Vielzahl von Strahlen aufgeteilt, die das Beugungslicht 0-ter Ordnung R₀, das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₊₁ und das Beugungslicht –1-ter Ordnung R_–1 einschließen und die auf ein Beugungsgitter 20c geworfen werden, das auf einer an dem zu messenden Objekt angebrachten Skala ausgebildet ist.
Im übrigen weisen das Beugungsgitter 32A, die Lichtempfangsabschnitte 61B und 61C und das Beugungsgitter 21 auf der Skala dieses Verschiebungssensors das gleiche Teilungsmaß von 1,6 μm auf.
Von dem Beugungslicht, das von dem Beugungsgitter 32A abgegeben und auf das Beugungsgitter 20a geworfen wird, wird das sich geradlinig vorwärtsbewegende Beugungslicht 0-ter Ordnung R₀ an einem Punkt 21 auf dem Beugungsgitter 20a reflektiert und gebeugt, so dass es in das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ⁺¹, das Beugungslicht –1-ter Ordnung R₀ ^–1 usw. aufgeteilt wird. Dabei weisen die aufgeteilten Beugungslichtstrahlen modulierte Phasen auf. Das heißt, wenn sich die Skala (das Beugungsgitter 21) bewegt, wird die Phase des Beugungslichts +1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ um +2πx/P verschoben, während die Phase des Beugungslichts –1-ter Ordnung R₀ ^–1 um –2πx/P verschoben wird, wobei x der Verschiebungsbetrag des Beugungsgitters 21 und P das Teilungsmaß des Beugungsgitters 21 ist.
Das vorstehend genannte Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ wird abermals durch Beugungsgitter auf den Lichtempfangsabschnitten 32B1 und 32B2 durchgelassen und gebeugt und in das Beugungslicht 0-ter Ordnung, das Beugungslicht –1-ter Ordnung und andere Beugungslichtstrahlen aufgeteilt, wobei das Beugungslicht -1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ _–1 mit Bezug auf die Gitteroberfläche vertikal erhalten wird und dessen Wellenfront eine Phase von +2πx/P aufweist. Andererseits wird das vorstehend genannte Beugungslicht –1-ter Ordnung R₀ ^–1 abermals durch Beugungsgitter auf den Lichtempfangsabschnitten 32C1 und 32C2 durchgelassen und gebeugt und in das Beugungslicht 0-ter Ordnung, das Beugungslicht +1-ter Ordnung und andere Beugungslichtstrahlen aufgeteilt, wobei das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ^–1 ₊₁ mit Bezug auf die Gitteroberfläche vertikal erhalten wird und dessen Wellenfront eine Phase von –2πx/P aufweist.
Bei diesem Verschiebungssensor sind das Beugungsgitter auf dem Lichtempfangsabschnitt 32C1 und das Beugungsgitter auf dem Lichtempfangsabschnitt 32B1 derart angeordnet, dass ihre Phasen gegeneinander um P/4 versetzt sind, wobei die Phase der Wellenfront des Beugungslichts +1-ter Ordnung R₀ ^–1 ₊₁ zudem um –2π(P/4)/P (= –π/2) versetzt ist, so dass sich –2πx/P – π/2 ergibt. Des weiteren sind sowohl das Beugungsgitter auf dem Lichtempfangsabschnitt 32B2 und das auf dem angrenzenden Lichtempfangsabschnitt 32B1 als auch das Beugungsgitter auf dem Lichtempfangsabschnitt 32C2 und das auf dem angrenzenden Lichtempfangsabschnitt 32C1 derart angeordnet, dass sie gegeneinander um P/2 versetzt sind, wobei die Phasen der Wellenfronten der auf die Lichtempfangsoberflächen der jeweiligen Lichtempfangsabschnitte fallenden Strahlen wie folgt bestimmt sind:
32B₁: –2πx/P
32B₂: –2πx/P – π
32C₁: –2πx/P – π/2
32C₂: –2πx/P – 3π/2
Andererseits wird das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₊₁ an einem Punkt P2 auf dem Beugungsgitter 20a auf der Skala reflektiert und gebeugt, so dass es in das Beugungslicht –1-ter Ordnung, das Beugungslicht 0-ter Ordnung und andere Beugungslichtstrahlen aufgeteilt wird, wobei deren Phasen moduliert sind. Im einzelnen fällt das Beugungslicht –1-ter Ordnung mit der um –2πx/P versetzten Phase auf die Lichtempfangsabschnitte 32B1 und 32B2, und von diesem Beugungslicht –1-ter Ordnung weist das Beugungslicht 0-ter Ordnung R₊₁ ^–1 ₀, das sich geradlinig durch die Beugungsgitter der Lichtempfangsabschnitte 32B1 und 32B2 ausbreitet eine Wellenfront mit einer Phase von –2πx/P auf. Das Beugungslicht –1-ter Ordnung R_–1 von dem Beugungsgitter 32A wird an einem Punkt P3 auf dem Beugungsgitter 20a auf der Skala reflektiert und gebeugt, so dass es in das Beugungslicht +1-ter Ordnung, das Beugungslicht 0-ter Ordnung R_–1 ⁰ und andere Beugungslichtstrahlen aufgeteilt wird, wobei deren Phasen moduliert sind. Im einzelnen fällt das Beugungslicht +1-ter Ordnung mit der um +2πx/P versetzten Phase auf die Lichtempfangsabschnitte 32C1 und 32C2, und von diesem Beugungslicht +1-ter Ordnung weist das Beugungslicht 0-ter Ordnung R_–1 ⁺¹ ₀, das sich geradlinig durch die Lichtempfangsabschnitte 32C1 und 32C2 ausbreitet, die Wellenfront mit einer Phase von +2πx/P auf.
Aus dem Strahl R₊₁ ^–1 ₀ und dem Strahl R₀ ⁺¹ _–1, deren Verläufe sich aufgrund der Beugungsgitter der Lichtempfangsabschnitte 32B1 und 32B2 einander überdecken, werden zwei Interferenzlichtstrahlen erzeugt, die auf die Lichtempfangsoberfläche der jeweils entsprechenden Lichtempfangsabschnitte 32B1 und 32B2 fallen und in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Interferenzphasen der auf die jeweiligen Lichtempfangsoberflächen der Lichtempfangsabschnitte 32B1 und 32B2 fallenden Interferenzstrahlen sind: (+2πx/P) – (–2πx/P) = 4πx/P (–2πx/P – π) – (+2πx/P) = –4πx/P – π wobei bei einer Verschiebung des Beugungsgitters 20a auf der Skala um 1/2 des Teilungsmaßes seitens der Lichtempfangsabschnitte 32B1 und 32B2 Sinuswellensignale von einem Zyklus erzeugt werden. Da das Teilungsmaß des Beugungsgitters 20a 1,6 μm beträgt, weisen die sich ergebenden Sinuswellensignale einen Zyklus von 0,8 μm auf. Das von dem Lichtempfangsabschnitt 32B2 erhaltene Signal A weist eine Phase auf, welche die Gegenphase des Signals A von dem Lichtempfangsabschnitt 32B1 ist.
Aus dem Strahl R_–1 ⁺¹ ₀ und dem Strahl R₀ ^–1 ₊₁, deren Verläufe sich aufgrund der Beugungsgitter der Lichtempfangsabschnitte 32C1 und 32C2 einander überdecken, werden zwei Interferenzlichtstrahlen erzeugt, die auf die Lichtempfangsoberflächen der jeweils entsprechenden Lichtempfangsabschnitte 32C1 und 32C2 fallen und in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Interferenzphasen der auf die jeweiligen Lichtempfangsoberflächen der Lichtempfangsabschnitte 32C1 und 32C2 fallenden Interferenzstrahlen sind: (–2πx/P – π/2) – (+2πx/P) = –4πx/P – π/2 (–2πx/P – 3π/2) – (+2πx/P) = –4πx/P – 3π/2 wobei bei einer Verschiebung des Beugungsgitters 20a auf der Skala um 1/2 des Teilungsmaßes seitens der Lichtempfangsabschnitte 32C1 und 32C2 Sinuswellensignale von einem Zyklus erzeugt werden. Da das Teilungsmaß des Beugungsgitters 20a 1,6 μm beträgt, weisen die sich ergebenden Sinuswellensignale einen Zyklus von 0,8 μm auf. Die Phase des Signals B von dem Lichtempfangsabschnitt 32C1 und diejenige des Signals A von dem Lichtempfangsabschnitt 32B1 sind gegeneinander um 1/4 eines Zyklus versetzt, und die Phase des Signals B von dem Lichtempfangsabschnitt 32C2 und diejenige des Signals A von dem Lichtempfangsabschnitt 32B2 sind ebenfalls gegeneinander um 1/4 eines Zyklus versetzt.
Bei dem vorstehend genannten Aufbau kann der Verschiebungssensor bei einer Verschiebung der Skala (des Beugungsgitters 20a) von den Lichtempfangselementen 61B und 61C vier Sinuswellensignale erhalten, deren Phasen in Intervallen von 1/4 eines Zyklus versetzt sind, und zwar die Sinuswellensignale A(0), B(π/2), A(π) und B(3π/2), die vier unterschiedliche Verschiebungsbeträge bezeichnen. Auf der Grundlage dieser vier Sinuswellensignale und unter Verwendung allgemein bekannter Signalverarbeitungsschaltungen wird eine Relativverschiebung der Skala 20a mit Bezug auf die Lichtempfangsabschnitte 61B und 61C und die Lichtprojektionseinheiten 1, 31A, 32A erfasst.
Jedes der in den 7 bis 13 gezeigten Elemente kann bei dem vorstehend genannten Verschiebungssensor als das Lichtempfangselement ohne Abänderungen oder mit bevorzugten Abänderungen eingesetzt werden.
Der Einsatz des die in den 7A bis 13C gezeigten Lichtempfangselemente ohne Abänderungen oder mit bevorzugten Abänderungen anwendenden Verschiebungssensors ist nicht auf den in 14 gezeigten Linearkodierer eingeschränkt, sondern der Verschiebungssensor kann beispielsweise auch bei einem Drehkodierer und einem optischen Geschwindigkeitsmesser eingesetzt werden.
15 ist ein Blockschaltbild eines Antriebssystems, bei dem einer der vorstehend genannten Kodierer als der Verschiebungssensor eingesetzt ist. An die Antriebsausgangseinheit einer Antriebseinrichtung 1100 mit einer Antriebsquelle wie einem Motor, einem Stellglied, einer Maschine oder dergleichen oder an den Verschiebungsabschnitt eines angetriebenen Objekts ist zur Erfassung von Verschiebungszuständen wie dem Verschiebungsbetrag, der Verschiebungsgeschwindigkeit und dergleichen ein Kodierer 1101 angebracht, der einer der vorstehend genannten Verschiebungssensoren ist. Bei einem Einsatz des Kodierers gemäß der in 15 gezeigten Ausführungsform wird das Erfassungsausgangssignal des Kodierers 1101 zu einer Regelungseinrichtung 1102 zurückgeführt, die an die Antriebseinrichtung 1100 ein Antriebssignal überträgt, um so die von einer Installationseinrichtung 1103 eingebrachten Zustände zu verwirklichen. Durch Ausbildung eines derartigen Regelungssystems können von der Installationseinrichtung 1103 eingebrachte Antriebszustände erhalten werden. Das Antriebssystem kann vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise sowohl bei Bürogeräten wie einer Schreibmaschine, einem Drucker, einem Kopiergerät, einem Faksimilegerät usw. als auch bei Bildverarbeitungsgeräten wie einer Kamera, einem Videogerät und dergleichen und ferner bei Geräten zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Informationen wie einem Roboter, einer Werkzeugmaschine, einem Fertigungsgerät, einem Transportgerät sowie allen anderen Arten von Geräten mit einer Antriebseinrichtung.
Wie vorstehend beschrieben ist, werden gemäß den vorstehend genannten Gestaltungen einfache und in den Abmessungen kleine Lichtempfangselemente erhalten, bei denen Gittermuster und der Lichtempfangsabschnitt des Lichtempfangselements in einstückiger Bauweise ausgeführt sind. Des weiteren kann auf einfache Weise ein hochpräziser Verschiebungssensor mit kleinen Abmessungen verwirklicht werden.
Bei den nachstehenden Ausführungsformen erfolgt die ein Zielobjekt betreffende Erfassung durch ein Erfassungsgerät, indem zwei Strahlen von dem Zielobjekt durch Vereinigungselemente vereinigt und sich ergebendes Licht von Lichtempfangselementen empfangen werden, wobei das Vereinigungselement unmittelbar auf der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Harzes ausgebildet ist, in dem die Lichtempfangselemente luftdicht versiegelt sind.
Bei einer der nachstehenden Ausführungsformen erfolgt eine das Zielobjekt betreffende Erfassung durch ein Gerät, indem ein Strahl von einem Lichtabgabeelement durch ein optisches Element geteilt oder abgelenkt wird, das Zielobjekt mit diesem geteilten oder polarisierten Strahl bzw. mit diesen geteilten oder polarisierten Strahlen beleuchtet wird und der Strahl bzw. die Strahlen von dem Zielobjekt von Lichtempfangselementen empfangen werden, wobei das optische Element unmittelbar auf der Oberfläche eines durchlässigen Harzes ausgebildet ist, in dem das Lichtempfangselement luftdicht versiegelt ist.
Bei einer der nachstehenden Ausführungsformen erfolgt eine das Zielobjekt betreffende Erfassung durch ein Erfassungsgerät, indem ein Strahl von einem Lichtabgabeelement durch ein optisches Element geteilt oder abgelenkt wird, die zwei Strahlen, die durch das optische Element durchgelassen werden und von dem Zielobjekt zurückkehren, durch Vereinigungselemente vereinigt werden und das sich ergebende Licht von Lichtempfangselementen empfangen wird, wobei zumindest ein Element, das optische Element oder das Vereinigungselement, unmittelbar auf der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Harzes ausgebildet ist, in dem die Lichtempfangselemente luftdicht versiegelt sind.
Ferner werden bei einer der nachstehenden Ausführungsformen Informationen hinsichtlich einer Relativverschiebung von zu messenden Beugungsgittern durch ein Erfassungsgerät erfasst, indem ein Strahl von einem Lichtabgabeelement durch ein optisches Element zumindest in zwei Strahlen geteilt wird, diese Strahlen auf die zu messenden Beugungsgitter fallen gelassen werden, um zumindest zwei Beugungslichtstrahlen zu erzeugen, diese zum Erhalten von Interferenzlicht durch Vereinigungselemente vereinigt werden und das Interferenzlicht von Lichtempfangselementen empfangen wird, wobei zumindest ein Element, das optische Element oder das Vereinigungselement, unmittelbar auf der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Harzes ausgebildet ist, in dem das Lichtempfangselement luftdicht versiegelt ist.
16 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 1, in der die Bezugszahl 101 einen Halbleiterlaser bezeichnet. Lichtempfangselemente 102B, 102B', 102C und 102C' sind auf einer Leiterrahmenunterlage 104 mit einer Öffnung 141 angebracht, durch die der von dem Halbleiterlaser 101 abgegebene Strahl hindurchtritt. Die Bezugszahl 105 bezeichnet eine Halterung für die Halbleiterlasereinheit. Die Lichtempfangselemente sind luftdicht in einem transparenten Harz 106 versiegelt. Die Bezugszahlen 109A, 109B und 109C bezeichnen Beugungsgitter und die Bezugszahl 110 bezeichnet eine Skala. Die Lichtempfangselemente 102B' und 102C', die jeweils hinter den Lichtempfangselementen 102B und 102C gelegen sind, sind in dieser Figur nicht gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform weist der Leiterrahmen, auf dem die Lichtempfangselemente angebracht sind, an der Stelle der IC-Unterlage 104 eine Öffnung 141 auf, durch die das von dem als das Lichtabgabeelement dienenden Halbleiterlaser 101 abgegebene Licht hindurchtritt. Als erstes werden die Lichtempfangselemente 102B, 102B', 102C und 102C' auf dem Leiterrahmen mittels Pressbonden befestigt, dann wird zwischen dem Leiterrahmen und den Elektrodenanschlussflächen der Lichtempfangselemente 102B, 102B', 102C und 102C' Drahtbonden durchgeführt. Anschließend werden die Lichtempfangselemente 102B, 102B', 102C und 102C' mittels der Pressspritztechnik in dem transparenten Harz 106 luftdicht versiegelt. Die vorstehenden Vorgänge sind die gleichen wie bei dem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Kunststoffgehäusen für Halbleiterelemente.
Als nächstes wird ein Glassubstrat mit einem Fotolack beschichtet, durch eine Belichtung Muster der Beugungsgitter aufgezeichnet und durch Entwickeln des Fotolacks auf dem Glassubstrat Fotolackmuster der Beugungsgitter ausgebildet. Dann wird das Glassubstrat trockengeätzt, um die Beugungsgitter darauf auszubilden, und der Fotolack entfernt. Auf diese Weise wird der Abdruck der Beugungsgitter hergestellt. Als nächstes wird der Glassubstratabdruck mit einem Harz beschichtet, der unter ultravioletter Strahlung aushärtbar ist. Die Lichtempfangsabschnitte der jeweiligen Lichtempfangselemente werden mit Bezug auf die auf dem Glassubstrat ausgebildeten Beugungsgitter positioniert. Die Oberfläche des transparenten Harzes des Gehäuses wird mit dem Abdruck in Berührung gebracht. Das Glassubstrat wird von der Rückseite mit ultravioletter Strahlung belichtet, um den aushärtbaren Harz auszuhärten. Danach wird das Gehäuse von dem Glassubstrat getrennt. Auf diese Weise werden bei unter ultravioletter Strahlung aushärtendem Harz die Beugungsgitter 109A, 109B, 109B', 109C und 109C' auf die Oberfläche des transparenten Harzes 106 des Gehäuses übertragen. 17 ist eine Draufsicht der Gehäuseoberfläche, auf der die jeweiligen Beugungsgitter ausgebildet sind.
Das Gehäuse mit den wie vorstehend beschrieben auf der Oberfläche des transparenten Harzes 106 ausgebildeten Beugungsgittern 109A, 109B, 109B', 109C und 109C' wird auf die den Halbleiterlaser 101 enthaltende Halbleiterlaser-Halterung 105 positioniert, so dass die Licht abstrahlende Mitte des Halbleiterlasers an einer vorbestimmten Position festgelegt und fest mit der Halbleiterlaser-Halterung 105 verbunden ist.
Danach werden die jeweiligen elektrischen Anschlüsse mit den entsprechenden Anschlussleitungen verbunden, um den Kopf des optischen Verschiebungssensors fertigzustellen.
Bei dem mittels des vorstehend genannten Herstellungsverfahrens hergestellten optischen Verschiebungssensorkopf sind die Lichtempfangselemente 102B, 102B', 102C und 102C', die Halbleiterelemente sind, luftdicht in dem lichtdurchlässigen Harz 106 versiegelt, wobei dessen Zuverlässigkeit gewährleistet ist und dessen Herstellungskosten niedrig bleiben. Da sich die Beugungsgitter 109A, 109B, 109B', 109C und 109C' auf der Oberfläche des Gehäuses befinden, sind sie des weiteren auf sehr einfache Weise auszubilden. Da die Beugungsgitter ausgebildet werden, während sie mit Bezug auf die Lichtempfangsabschnitte positioniert sind, werden sie mit einer hohen Präzision ausgebildet. Überdies ist deren Positionsbeziehung nach der Ausbildung kaum zu verändern.
Nun wird die Funktionsweise des wie vorstehend beschrieben aufgebauten optischen Verschiebungssensors erläutert. Bei dieser Ausführungsform fällt der von dem Halbleiterlaser 101 abgegebene Strahl auf die hintere Oberfläche des die Lichtempfangselemente 102B, 102B', 102C und 102C' enthaltenden Gehäuses, tritt durch die Öffnung 141 in dem Unterlagenabschnitt des Leiterrahmens 104 hindurch, wird durch das auf der Gehäuseoberfläche ausgebildete Beugungsgitter 109A durchgelassen und gebeugt und wird in das Beugungslicht 0-ter Ordnung R₀, das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₊₁, das Beugungslicht –1-ter Ordnung R_–1 usw. aufgeteilt, die von dem Gehäuse abgegeben werden.
Der sich geradlinig durch das Beugungsgitter 109A vorwärtsbewegende Strahl R₀ wird an einem Punkt P1 auf einem auf der Skala 110 ausgebildeten Beugungsgitter 110A reflektiert und gebeugt, so dass er in das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ und das Beugungslicht –1-ter Ordnung R₀ ^–1 aufgeteilt wird, wobei die Phasen der aufgeteilten Strahlen moduliert sind.
Die Phase des Beugungslichts +1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ ist um +2πx/P versetzt und diejenige des Beugungslichts –1-ter Ordnung R₀ ^–1 ist um –2πx/P versetzt, wobei x der Verschiebungsbetrag des Beugungsgitter 110A der Skala 110 und P das Teilungsmaß des Beugungsgitters 110A ist.
Auf die Beugungsgitter 109B' und 109C' trifft eine ähnliche Beschreibung wie bei den Beugungsgittern 109B und 109C zu, so dass die Beschreibung der Beugungsgitter 109B' und 109C' ausgelassen ist. Das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ wird durch das auf der Gehäuseoberfläche ausgebildete Beugungsgitter 109B durchgelassen und gebeugt, so dass es in das Beugungslicht 0-ter Ordnung R₀ ⁺¹ ₀, das Beugungslicht –1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ _–1 und andere Strahlen aufgeteilt wird, von denen das Beugungslicht –1-ter Ordnung R₀ ⁺¹ _–1 vertikal von der Beugungsgitteroberfläche abgegriffen wird und die Phase von dessen Wellenfront +2πx/P beträgt.
Das Beugungslicht –1-ter Ordnung R₀ ^–1 wird durch das auf der Gehäuseoberfläche ausgebildete Beugungsgitter 109C durchgelassen und gebeugt, so dass es in das Beugungslicht 0-ter Ordnung R₀ ^–1 ₀, das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ^–1 ₊₁ und andere Strahlen aufgeteilt wird, von denen das Beugungslicht +1-ter Ordnung R₀ ^–1 ₊₁ vertikal von der Beugungsgitteroberfläche abgegriffen wird und die Phase von dessen Wellenfront –2πx/P beträgt.
Falls die Beugungsgitter 109B und 109C derart angeordnet sind, dass ihre Phasen gegeneinander um P/4 versetzt sind, ist die Phase der Wellenfront des Beugungslichts +1-ter Ordnung R₀ ^–1 ₊₁ weiterhin um –2π(P/4)/P (= –π/2) versetzt, so dass sich –2πx/P – π/2 ergibt.
Das durch das auf der Oberfläche des transparenten Harzes 106 ausgebildete Beugungsgitter 109A gebeugte Beugungslicht +1-ter Ordnung R₊₁ wird an einem Punkt P2 auf dem Beugungsgitter 110A auf der Skala 110 reflektiert und gebeugt, so dass es in das Beugungslicht –1-ter Ordnung R₊₁ ^–1, das Beugungslicht 0-ter Ordnung R₊₁ ⁰ und andere Strahlen aufgeteilt wird, während deren Phasen moduliert sind. Unter den Strahlen weist das Beugungslicht +1-ter Ordnung R_₁ ⁺¹ eine um +2πx/P versetzte Phase auf und fällt auf das Beugungsgitter 109B, während die Phase der Wellenfront des sich geradlinig vorwärtsbewegenden Beugungslichts 0-ter Ordnung R_₁ ⁺¹ ₀ +2πx/P beträgt.
Die Strahlen R₊₁ ^–10 und R₀ ⁺¹ _–1 weisen sich an dem Beugungsgitter 109B überdeckende Verläufe auf, die auf das Lichtempfangselement 120B fallendes Interferenzlicht ergeben. Dabei beträgt die Interferenzphase (+2πx/P) – (–2πx/P) = 4πx/P wobei bei Verschiebung des Beugungsgitter 110A auf der Skala 110 um 1/2 des Teilungsmaßes ein Zyklus eines Hell-Dunkel-Signals erzeugt wird.
Die Strahlen R_–1 ⁺¹ ₀ und R₀ ^–1 ₊₁ weisen sich an dem Beugungsgitter 109C überdeckende Verläufe auf, die auf das Lichtempfangselement 120C fallendes Interferenzlicht ergeben. Dabei beträgt die Interferenzphase (–2πx/P – π/2) – (+2πx/P) = 4πx/P – π/2 wobei bei Verschiebung des Beugungsgitter 110A auf der Skala 110 um 1/2 des Teilungsmaßes ein Zyklus eines Hell-Dunkel-Signals erzeugt wird und der Zeitpunkt des Hell-Dunkel-Signals an dieser Stelle gegenüber demjenigen des Hell-Dunkel-Signals an dem Lichtempfangselement 102B um 1/4 eines Zyklus versetzt ist.
Da die Beugungsgitter 109B' und 109C' derart angeordnet sind, dass sowohl die Phasen der Beugungsgitter 109B' und 109B als auch diejenigen der Beugungsgitter 109C' und 109C um P/2 gegeneinander versetzt sind, sind sowohl die Phasen der Wellenfronten von den Beugungsgittern 109B' und 109B als auch diejenigen der Wellenfronten von den Beugungsgittern 109C' und 109C um π gegeneinander versetzt. Daher empfangen die Lichtempfangselemente 102B' und 102C' jeweils Hell-Dunkel-Signale mit um 1/2 eines Zyklus gegenüber demjenigen der jeweils entsprechenden vorstehend genannten Hell-Dunkel-Signale verschobenen Zeitpunkt. Die Signale von den Lichtempfangselementen werden in ein Zweiphasen-Signal umgewandelt, das aus dem Differenzsignal der Ausgangssignale von den Lichtempfangselementen 102B und 102B' und dem Differenzsignal der Ausgangssignale von den Lichtempfangselementen 102C und 102C' erhalten wird. Durch Nutzung des Zweiphasen-Signals kann mittels allgemein bekannter Verfahren der Verschiebungsbetrag und die Verschiebungsrichtung der Skala 110 erhalten werden.
18 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines nicht beanspruchten Beispiels, wobei die gleichen Abschnitte wie bei der vorstehenden Ausführungsform mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
Bei diesem nicht beanspruchten Beispiel weist die Metallform für das Pressspritzen, die zur Versiegelung des Lichtempfangselements 102 in dem lichtdurchlässigen Harz 106 verwendet wird, einen konvexen Teil auf, um einen konkaven Abschnitt 161 in dem Gehäuse auszubilden. Der konkave Abschnitt weist Abmessungen auf, unter denen, wie nachstehend beschrieben ist, eine Konvexlinse 108 und das Gehäuse sich nicht gegenseitig stören. Bis auf den vorstehend genannten Unterschied weist das die Lichtempfangselemente 102 enthaltende Gehäuse den gleichen Aufbau wie bei der Ausführungsform 1 auf.
Bei diesem nicht beanspruchten Beispiel wird ein Glassubstrat 191 mit einem Fotolack beschichtet, werden Muster der Beugungsgitter mittels einer Belichtung aufgezeichnet und wird der Fotolack entwickelt. Dann wird das Glassubstrat 191 trockengeätzt, um die Beugungsgitter in das Glassubstrat 191 einzuarbeiten, und der Fotolack entfernt. Als nächstes wird auf der entgegengesetzt zu der Oberfläche, auf der das Beugungsgitter 109A für den abgegebenen Strahl ausgebildet ist, liegenden Oberfläche die Konvexlinse 108 ausgebildet, wobei die Konvexlinse 108 auf das Glassubstrat 191 übertragen wird, indem bei der Ausbildung der Beugungsgitter gemäß Ausführungsform 1 die Metallform und das unter ultravioletter Strahlung aushärtbare Harz verwendet werden.
Als nächstes werden die Beugungsgitter 109B, 109B', 109C und 109C' mit Bezug auf die Lichtempfangsabschnitte der entsprechenden Lichtempfangselemente positioniert und das Glassubstrat 191 und das vorstehend genannte Gehäuse aus transparentem Harz miteinander verbunden, um oberhalb des lichtdurchlässigen Harzes die Beugungsgitter auszubilden. Dabei befindet sich der konkave Abschnitt 161 in dem Gehäuse, so dass die auf dem Glassubstrat ausgebildete Konvexlinse 108 nicht das Gehäuse stört.
Das Gehäuse mit den wie vorstehend beschrieben oberhalb des lichtdurchlässigen Harzes 106 ausgebildeten Beugungsgittern und der Konvexlinse 108 wird auf der den Halbleiterlaser 101 enthaltenden Halbleiterlaser-Halterung 105 positioniert, so dass die Licht abstrahlende Mitte des Halbleiterlasers bezüglich der Konvexlinse 108 an einer vorbestimmten Position festgelegt ist. Dann wird das Gehäuse fest mit der Halbleiterlaser-Halterung 105 verbunden.
Anschließend werden die elektrischen Anschlüsse mit den entsprechenden Anschlussleitungen verbunden, um den Kopf des optischen Verschiebungssensors fertigzustellen. Dessen Funktionsweise ist die gleiche wie die vorstehend beschriebene.
Bei diesem nicht beanspruchten Beispiel wird der von dem Halbleiterlaser 101 abgegebene, divergente Strahl kollimiert oder fokussiert, um einen optischen Verschiebungssensor zu verwirklichen, der eine erhöhte Intensität des Signallichts aufweist und dessen Signal sich während des Betriebs gegenüber einer durch die Anbringung des Sensors oder dessen Positionierung hervorgerufenen Störung kaum verändert.
19 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 2, wobei die gleichen Bauteile wie die bereits beschriebenen mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. 20 ist eine Draufsicht der Leiterrahmeneinheit.
Bei dieser Ausführungsform sind eine als das Lichtabgabeelement dienende LED und die Lichtempfangselemente in demselben lichtdurchlässigen Harzgehäuse enthalten. Somit ist bei in dem Gehäuse auf die Lichtempfangsabschnitte der Lichtempfangselemente fallenden divergenten Strahlen von der LED, dem Lichtabgabeelement, der Störsignalabstand verringert. Daher ist der Unterlagenabschnitt des Leiterrahmens 104, auf dem die LED 111 angebracht ist, mittels einer Pressformmaschine höher gesetzt worden als der Unterlagenabschnitt, auf dem die Lichtempfangselemente angebracht sind.
Bei dem Leiterrahmen mit einer derartigen Form ist die Höhendifferenz zwischen dem Lichtabgabeabschnitt der LED 111 und den Lichtempfangsabschnitten der Lichtempfangselemente groß genug, um die unnötig auf die Lichtempfangsabschnitte fallende Lichtmenge von der LED 111 zu verringern.
Auf dem auf diese Weise hergestellten Gehäuse aus transparenten Harz werden die Beugungsgitter auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 ausgebildet. Die Funktionsweise ist die gleiche wie die vorstehend beschriebene.
Da der wie beschrieben aufgebaute optische Verschiebungssensor das Lichtabgabeelement enthält, ist das Gerät sehr klein, kann Streulicht innerhalb des Gehäuses beschränken und einen großen Störsignalabstand gewährleisten und ist bei sehr niedrigen Kosten herstellbar.
21 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 3, und 22 ist eine Draufsicht von deren Leiterrahmeneinheit. Die gleichen Bauteile wie die bereits beschriebenen sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Bei dieser Ausführungsform sind das Lichtabgabeelement und die Lichtempfangselemente ebenfalls in demselben Gehäuse aus lichtdurchlässigem Harz wie bei der Ausführungsform 2 enthalten, wobei der Lichtabgabeabschnitt und die Lichtempfangsabschnitte in ausreichender Höhe angebracht sind, um den Störsignalabstand zu verbessern.
Dementsprechend ist bei dieser Ausführungsform der Träger 102 der Lichtempfangselemente größer und den vier Lichtempfangselementen gemeinsam. Der Träger wird auf dem Leiterrahmen befestigt, dann wird die LED 111 auf einem anderen Teil der Oberfläche als dem der Lichtempfangsabschnitte und der Anschlusselektrodenabschnitte angebracht. Anschließend werden die jeweiligen Elektrodenabschnitte mit den entsprechenden elektrischen Anschlüssen des Leiterrahmens mittels Drahtbonden verbunden. Dann werden sie in dem transparenten Harz 106 luftdicht versiegelt, um das Gehäuse fertigzustellen.
Die Beugungsgitter 109 werden auf der lichtdurchlässigen Harzoberfläche auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 ausgebildet. Die Funktionsweise ist ebenfalls die gleiche wie die vorstehend beschriebene.
23 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 4, und 24 ist eine Draufsicht derselben. Die gleichen Bauteile wie die bereits beschriebenen sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Bei dieser Ausführungsform ist der optische Verschiebungssensor ebenfalls wie vorstehend beschrieben aufgebaut. Wie in 23 gezeigt ist, sind jedoch in dem lichtdurchlässigen Harz 106 zudem Vertiefungen 161 zwischen der Licht abstrahlenden Mitte und den Lichtempfangsabschnitten ausgebildet, um zu verhindern, dass Streulicht von der als das Lichtabgabeelement dienenden LED 111 auf die Lichtempfangsabschnitte innerhalb des Gehäuses fällt, wodurch das innere Streulicht vor Erreichen der Lichtempfangsabschnitte abgefangen wird. Die Vertiefungen 161 werden mit Ausnahme dessen, dass die für die Ausbildung des Gehäuses verwendete Metallform der Form der Vertiefungen entsprechende Abschnitte aufweist, mittels des gleichen, in Verbindung mit dem durch 18 gezeigten Beispiel verwendeten Verfahrens ausgebildet.
25 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform 5, und 26 ist eine Draufsicht von deren Leiterrahmeneinheit. Die gleichen Bauteile wie die bereits beschriebenen sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Diese Ausführungsform ist die gleiche wie die vorstehenden Ausführungsformen mit Ausnahme dessen, dass die Oberflächen der Lichtempfangselemente 102 zwischen der LED 111 und den Lichtempfangsabschnitten mit einem lichtabsorbierenden Beschichtungsmaterial 112 beschichtet sind, so dass eine mehrfache Reflexion an der Gehäuseoberfläche und dem abdeckenden Aluminium auf den Oberflächen der Lichtempfangselemente 102 verhindert wird, wodurch Streulicht daran gehindert wird, auf die Lichtempfangsabschnitte zu fallen.
Als die bei den jeweiligen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendeten Lichtabgabeelemente können Halbleiterlaser, Licht abstrahlende Dioden und dergleichen verwendet werden.
Als die Lichtempfangselemente können sowohl Photodioden, Lawinenphotodioden, pin-Photodioden und CCDs als auch Licht empfangende ICs mit den vorstehend genannten Lichtempfangselementen und Schaltungen zur Verstärkung oder Bearbeitung von Ausgangsphotoströmen verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung der als optische Komponenten dienenden Gitter schließen ein: das Abdruckverfahren, bei dem eine Form ausgebildet wird, unter ultravioletter Strahlung aushärtbares Harz in die Form gegossen wird, ein Übertragungselement darauf gesetzt wird und das Harz zur Aushärtung mit ultravioletter Strahlung belichtet und auf das Übertragungselement übertragen wird; das Ätzverfahren, bei dem ein Glassubstrat mit einem Fotolack beschichtet wird, durch eine Maske oder ein Retikel hindurch mittels einer Belichtung Muster aufgezeichnet werden, der Fotolack entwickelt und eine Ätzung durchgeführt wird; usw. Andernfalls kann der Fotolack vor der Belichtung und dem Ätzen direkt mit einem EB (Elektronenstrahl) gezeichnet werden. Des weiteren können die Gitter nach der vorstehend beschriebenen Belichtung des Fotolacks mittels Hartbacken erhalten werden. Die Gitter werden bzw. sind unmittelbar auf der Oberfläche des lichtdurchlässigen Harzes 106 ausgebildet.
Ferner kann der Störsignalabstand durch Kombination der jeweiligen vorstehend genannten Ausführungsformen weiter verbessert werden.
Durch die vorstehend genannten Ausführungsformen kann die Luftdichtheit der Lichtabgabeelemente oder der Lichtempfangselemente verbessert werden, wodurch ein optisches Erfassungsgerät verwirklicht wird, das mit hoher Präzision auf einfache Weise hergestellt werden kann und das diese hohe Präzision bewahren kann.

Claims

Gerät zur Erfassung von Informationen, die eine Verschiebung eines Objekts (20; 209; 110) betreffen, an dem eine Gitterskala (20a; 209a; 110A) angebracht ist, mit: einem Strahlabgabesystem zur Beleuchtung der Gitterskala (20a; 209a; 110A) mit einem Strahl, das eine Lichtquelle (41; 1; 101; 111) aufweist; und zumindest einem Lichterfassungselement (45, 46; 50; 32B, 32C; 102B, 102C; 102), das eine photoelektrische Umwandlungsoberfläche (53) und eine Gittereinheit (56; 57; 55, 54; 53, 57) aufweist, die zumindest auf einem Teil der Oberfläche der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche einstückig ausgebildet ist, zur Erfassung eines Strahls von der Gitterskala, welche von dem Strahl von dem Strahlabgabesystem beleuchtet wird; wobei das Strahlabgabesystem zudem ein erstes Beugungsgitter (44; 32A; 109A) zur Teilung von Strahlen von der Lichtquelle aufweist, wobei zumindest zwei Beugungslichtstrahlen von dem ersten Beugungsgitter auf die Gitterskala als einem zweiten Beugungsgitter fallen; und wobei Gitterabschnitte der Gittereinheit unmittelbar auf der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Harzes (106) ausgebildet sind, das das Lichterfassungselement luftdicht versiegelt, und wobei die Gittereinheit zumindest zwei Beugungslichtstrahlen von der Gitterskala vereinigt und einen Lichtdurchlassabschnitt in Form eines Gitters aufweist, dessen Teilungsmaß das gleiche wie das Teilungsmaß des zumindest durch zwei Beugungslichtstrahlen von der Gitterskala ausgebildeten Interferenzstreifens ist, und auf der Grundlage einer Erfassung durch das Lichterfassungselement Informationen erfasst werden, die eine Verschiebung des Objekts betreffen, und wobei das durch das erste Beugungsgitter geteilte Licht über einen ersten Strahlengang in Richtung der Gitterskala als einem zweiten Beugungsgitter verläuft, wobei das zweite Beugungsgitter ein Beugungsgitter reflektierenden Typs ist, und das durch das zweite Beugungsgitter gebeugte Licht über einen zweiten Strahlengang in Richtung der Gitterskala verläuft, wobei sich der erste und der zweite Strahlengang voneinander unterscheiden.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Vielzahl der Lichterfassungselemente (102B, 102C; 102) auf demselben Trägerbauteil (104) befindet.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl der Lichterfassungselemente vorhanden ist (109B, 109B', 109C, 109C') und die Gittereinheiten der Elemente Lichtdurchlassabschnitte in Form eines Gitters aufweisen, deren Phasen sich voneinander in der Richtung unterscheiden, in der eine Verschiebung der Gitterskala gemessen wird.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gittereinheit aus mehreren Abschnitten von Beugungsgittern (56; 57; 54, 55) besteht.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gittermuster von Gitterabschnitten der Gittereinheit mittels Lithographietechnik ausgebildet sind.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Lichtquelle in dem lichtdurchlässigen Harz luftdicht versiegelt ist.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Beugungsgitter unmittelbar auf der Oberfläche des lichtdurchlässigen Harzes ausgebildet ist.