| 【発明の名称】 |
光電式エンコーダ |
| 【発明者】 |
【氏名】青木 敏彦
【氏名】夜久 亨
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| 【要約】 |
【課題】小型化したときの高性能化を図った光電式エンコーダを提供する。
【解決手段】メインスケールと、このメインスケールに対してその測定軸方向に相対移動可能に配置されてスケール格子を読み取るセンサヘッドとを有し、センサヘッドは、メインスケールに光を照射する光源と、メインスケールからの光を受光して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光部とを備え、受光部５は、透明基板４０と、その表面に形成された半導体薄膜５２を加工して所定ピッチで配列された複数のフォトダイオードＰＤと、これらのフォトダイオードＰＤを覆って形成されて、前記透明基板４０を透過して各フォトダイオードＰＤに入射される光を内部に閉じ込める反射膜５５とを有する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 測定軸に沿ってスケール格子が形成されたメインスケールと、このメインスケールに対してその測定軸方向に相対移動可能に配置されて前記スケール格子を読み取るセンサヘッドとを有し、前記センサヘッドは、前記メインスケールに光を照射する光源と、前記メインスケールからの光を受光して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光部とを備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光部は、透明基板と、この透明基板の表面に形成された感光性薄膜を加工して作られた複数の受光素子と、これら複数の受光素子を覆って形成されて、前記透明基板を透過して各受光素子に入射される光を各受光素子内部に閉じ込める反射膜とを有することを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】 前記光源とメインスケールとの間に前記光源からの光を透過して前記メインスケールを照射するインデックススケールを有することを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項３】 前記受光素子が形成された透明基板は、前記インデックススケールの基板を兼ねていることを特徴とする請求項２記載の光電式エンコーダ。
【請求項４】 前記複数の受光素子は、所定ピッチで配列されて受光素子アレイを構成していることを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項５】 前記反射膜は、前記各受光素子の端子電極を引き出す配線として用いられる金属膜により形成されていることを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項６】 前記受光素子が形成された透明基板の裏面に、特定方向からの光を選択的に前記受光素子に入射させるための光ガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
【請求項７】 測定軸に沿ってスケール格子が形成されたメインスケールと、このメインスケールに対してその測定軸方向に相対移動可能に配置されて前記スケール格子を読み取るセンサヘッドとを有し、前記センサヘッドは、前記メインスケールに光を照射する光源と、前記メインスケールからの光を受光して変位信号を出力する受光素子とを備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光素子の受光面側に、特定方向からの光を選択的に前記受光素子に入射させるための光ガイド部材が設けられていることを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項８】 前記センサヘッドに、前記メインスケールに形成された原点検出用パターンを検出するための原点検出用光源及び原点検出用受光素子が設けられていることを特徴とする請求項１又は７に記載の光電式エンコーダ。
【請求項９】 前記センサヘッドに、前記メインスケールに形成された原点検出用パターンを検出するための原点検出用光源及び原点検出用受光素子が設けられ、且つ前記原点検出用受光素子の光入射部に前記原点検出用光源から前記メインスケールに照射されて反射した光を選択的に入射させるための光ガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項７記載の光電式エンコーダ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光電式エンコーダを小型化したときの精度向上技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】光電式エンコーダは基本的に、光源と、この光源からの光を透過してスケールに照射する第１の光学格子と、スケール上に形成された第２の光学格子と、この第２の光学格子の透過又は反射光を透過させる第３の光学格子と、この第３の光学格子の透過光を受光する受光素子とを備えて構成される。光電式エンコーダには透過型と反射型とがあるが、特に反射型エンコーダでは、光源と受光素子を第１及び第３の光学格子が形成されたインデックススケールと共にメインスケールの一方側に配置してセンサヘッドを構成することにより、全体を小型にすることができる。また、受光素子として、第３の光学格子を兼ねた受光素子アレイにより構成する方式も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光電式エンコーダを小型にした場合、受光素子から得られる変位信号のピーク・ピーク値ＶPPと直流オフセット電圧ＶDCの比ＶPP／ＶDCが小さくなり、高精度位置測定が困難になるという問題がある。受光部に、複数の受光素子を配列形成した受光素子アレイを使用した場合、受光素子アレイの配列ピッチがスケール格子ピッチに対応して小さくなると、各受光素子は、受光面積が小さくなるだけでなく、光電変換に寄与する体積も小さいものとなる。特に受光素子アレイをアモルファスシリコン等の半導体薄膜により形成した場合、光電変換層が薄いため、受光素子に入射した光の多くが光電変換されずに突き抜けてしまう。
【０００４】小型化に伴ってＶPP／ＶDCが小さくなるもう一つの理由は、原点検出機構との関係にある。通常、メインスケールには原点検出用パターンを形成し、センサヘッドにはその原点検出用パターンを検出するための光源と受光素子が、スケール検出用の光源と受光素子とは別に設けられる。従って、全体を小型化した場合には、スケール検出用の光源と原点検出用の光源とが近接して配置され、原点検出用光源からの光がスケール検出用の受光素子にも入り込む。これにより直流オフセット電圧ＶDCが大きくなる。
【０００５】この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、小型化したときの高性能化を図った光電式エンコーダを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、第１に、測定軸に沿ってスケール格子が形成されたメインスケールと、このメインスケールに対してその測定軸方向に相対移動可能に配置されて前記スケール格子を読み取るセンサヘッドとを有し、前記センサヘッドは、前記メインスケールに光を照射する光源と、前記メインスケールからの光を受光して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光部とを備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光部は、透明基板と、この透明基板の表面に形成された感光性薄膜を加工して作られた複数の受光素子と、これら複数の受光素子を覆って形成されて、前記透明基板を透過して各受光素子に入射される光を各受光素子内部に閉じ込める反射膜とを有することを特徴とする。
【０００７】この発明によると、受光素子の表面に反射膜を設けることにより、透明基板を介して受光素子に入射される光を素子内部に閉じ込めて複数回反射させ、光電変換層を複数回通過させることができる。これにより、受光素子の寸法が微細になっても、大きな光電変換効率が得られ、従って、大きなＶPP／ＶDCが得られる。また反射膜は、受光素子への無用な迷光の入射を遮る働きをする。従って、原点検出用光源が隣接して配置されても、その影響を低減することができ、これもＶPP／ＶDCの向上につながる。
【０００８】この発明において好ましくは、光源とメインスケールの間にはインデックススケールが設けられる。この場合、受光素子が形成された透明基板は、インデックススケールの基板と一体のものとして反射型の光電式エンコーダを構成することにより、これらを別々に用意する場合に比べて、センサヘッドの組立が容易になり、小型化が図られる。またこの発明において好ましくは、複数の受光素子は、所定ピッチで配列されて受光側インデックス格子を兼ねた受光素子アレイとして構成される。更にこの発明において、受光素子を覆う反射膜は例えば、各受光素子の端子電極を引き出す配線として用いられる金属膜により形成することができる。この様に配線膜と反射膜を同じ金属膜のパターニングにより形成すれば、工程は簡単になる。更にこの発明において好ましくは、受光素子が形成された透明基板の裏面に、特定方向からの光を選択的に受光素子に入射させるための光ガイド部材が設けられるものとする。これにより、迷光の影響がより低減される。
【０００９】この発明は、第２に、測定軸に沿ってスケール格子が形成されたメインスケールと、このメインスケールに対してその測定軸方向に相対移動可能に配置されて前記スケール格子を読み取るセンサヘッドとを有し、前記センサヘッドは、前記メインスケールに光を照射する光源と、前記メインスケールからの光を受光して変位信号を出力する受光素子とを備えた光電式エンコーダにおいて、前記受光素子の受光面側に、特定方向からの光を選択的に前記受光素子に入射させるための光ガイド部材が設けられていることを特徴とする。
【００１０】この発明によると、光ガイド部材を受光素子の受光面側に配置することによって、無用な迷光の受光素子への入射が防止される。特に、センサヘッドに、メインスケールに形成された原点検出用パターンを検出するための原点検出用光源及び原点検出用受光素子が設けられている場合に、原点検出用光源からのスケール検出用受光素子への無用な光入射がなくなり、大きなＶPP／ＶDCが得られる。更にこの発明において、センサヘッドに、メインスケールに形成された原点検出用パターンを検出するための原点検出用光源及び原点検出用受光素子が設けられる場合に、原点検出用受光素子の光入射部にも、原点検出用光源からメインスケールに照射されて反射した光を選択的に入射させるための光ガイド部材を設けることが好ましく、これにより原点検出機能の向上が図られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
［実施の形態１］図１（ａ）（ｂ）は、この発明の実施の形態１による反射型の光電式エンコーダの平面図とその測定軸ｘ方向の断面図である。この光電式エンコーダは、メインスケール１とこれに対してメインスケール１の測定軸ｘ方向に相対移動可能に配置されたセンサヘッド２とから構成される。メインスケール１は、ガラス基板等のスケール基板１０を用い、これに所定ピッチのスケール格子１１を形成して構成されている。スケール格子１１とは別のトラックに、原点検出用パターン１２が形成されている。
【００１２】センサヘッド２は、メインスケール１の同じ側に配置された、スケール用光源であるＬＥＤ３と、インデックススケール４、及び受光部５を有する。インデックススケール４は、ガラス基板等の透明基板４０を用いて構成されている。この透明基板４０に、ＬＥＤ３からの光を透過するインデックス格子４１が形成され、またこのインデックス格子４１に隣接して、メインスケール１からの反射光を受光して位相の異なる複数の変位信号を出力するための受光部５を構成するフォトダイオードアレイＰＤＡが形成されている。
【００１３】インデックススケール４の透明基板４０上にはまた、原点検出用パターン１２を検出するために、スリット６，７が設けられ、これらのスリット６，７上にそれぞれ、原点検出用受光素子８，原点検出用光源であるＬＥＤ９が配置されている。
【００１４】図２は、受光部５の要部を拡大して示す断面図である。この受光部５は、透明基板４０上に形成されたアモルファスシリコン膜５２を加工して所定ピッチでフォトダイオードＰＤ（ＰＤ１，ＰＤ２，…）を配列形成したフォトダイオードアレイＰＤＡとして構成されている。具体的にフォトダイオードアレイＰＤＡは、次のようにして作られる。まず透明基板４０上にＩＴＯ膜等の透明導電膜５１を介して、ｐ型，ｉ型，ｎ型のアモルファスシリコンを順次堆積する。更にその上にＮｉ等の電極膜を堆積する。そして電極膜をパターニングして端子電極５３を分離した後、この端子電極５３をマスクとしてアモルファスシリコンをエッチングする。
【００１５】この実施の形態では、以上のように形成されたフォトダイオードアレイＰＤＡを覆うようにシリコン酸化膜等の絶縁膜５４が形成され、更にその上にフォトダイオードアレイＰＤＡの主要部を覆うように、反射膜５５が形成されている。反射膜５５は例えば、フォトダイオードアレイＰＤＡの端子電極５３を外部に引き出すための配線と同時に金属膜により形成される。
【００１６】図３は、フォトダイオードアレイＰＤＡのレイアウトを配線と共に示している。各フォトダイオードＰＤは、スケール格子との関係で位相が９０°異なるＡ，Ｂ相、及びこれらの反転位相のＡＡ，ＢＢ相の４相の正弦波状変位信号を出力するものである。これらのフォトダイオードＰＤの４相の変位信号出力線となる信号配線５８と、これらと各フォトダイオードの端子電極５３を接続する信号線５７とが、例えばＡｌ膜を用いた二層配線技術により形成される。フォトダイオードＰＤを覆う反射膜５５は、信号配線５７，５８のいずれかと同じＡｌ膜を用いて形成される。
【００１７】この実施の形態によると、図２に示したように、メインスケール１からの信号光である反射光は、透明基板４０を通して各フォトダイオードＰＤに入射する。この入射光は、反射膜５５があるためにフォトダイオードＰＤを突き抜けることはなく、フォトダイオードＰＤ内で複数回の反射を繰り返す。即ち、入射光はフォトダイオードＰＤ内に閉じ込められ、この結果フォトダイオードＰＤが微細寸法のものであっても、高い光電変換効率が得られる。また、原点検出用ＬＥＤ９等からの迷光は、反射膜５５により反射されて、フォトダイオードＰＤに入射しない。以上により、スケールピッチの小さい光電式エンコーダを構成した場合にも、ＶPP／ＶDCの大きい変位信号が得られる。
【００１８】［実施の形態２］図４（ａ）は、この発明の実施の形態２による反射型の光電式エンコーダの平面図であり、同図（ｂ）はその測定軸方向の断面図、同図（ｃ）は測定軸と直交する方向の原点検出部の断面図である。先の実施の形態と対応する部分には、先の実施の形態と同一符号を付して詳細な説明は省く。
【００１９】この実施の形態では、インデックススケール４に、光源側インデックス格子４１ａと受光側インデックス格子４１ｂを形成した場合を示している。受光素子５ａは、受光側インデックス格子４１ｂから得られる４相の信号光を受光する４個のフォトダイオードを単結晶シリコン基板に集積形成したＩＣである。またこの実施の形態の場合、原点検出用のスリット６，７のうち、受光側のスリット６は、インデックススケール４の光源側インデックス格子４１ａと受光側インデックス格子４１ｂとの間に配置している。これは、スケールの幅方向寸法をできるだけ小さくするためである。
【００２０】この様なインデックススケール４の透明基板４０の裏面には、図４（ｂ）に示すように、メインスケール１からの反射光を受光素子５ａに導くための光ガイド部材４０１ａが設けられている。また図４（ｃ）に示すように、透明基板４０の裏面の、原点検出用ＬＥＤ９によるメインスケール１からの反射光が原点検出用受光素子８に入射する位置にも、その反射光を受光素子８に導くための光ガイド部材４０１ｂが設けられている。これらの光ガイド部材４０１（４０１ａ，４０１ｂ）は、受光面に対して特定の傾斜角を持って入射する信号光成分のみを通過させるような光ガイドが形成された微小なルーバーである。
【００２１】図５（ａ）（ｂ）は、その様な光ガイド部材４０１を薄膜技術により形成する方法を示している。図５（ａ）に示すように、インデックススケール基板４０に斜め方向からのスパッタ、蒸着等により、傾斜した粒界をもつ針状結晶の堆積膜４００を形成する。そしてこの堆積膜４００を、図５（ｂ）に示すように、斜め方向からのエッチングガスの供給により、粒界に隙間が形成されるようなエッチングを行うことにより、特定方向の光ガイドを行う光ガイド部材４０１が得られる。
【００２２】光ガイド部材４０１には上述した薄膜技術によるものの他、薄板を板金加工したもの、フイルム状に加工されているライトコントロールフィルム（３Ｍ社製の商品名）、分子を特定方向に配向させた液晶等を用い得る。
【００２３】この実施の形態によると、スケール検出部と原点検出部が近接して配置される小型エンコーダであっても、スケール検出部に原点検出用光が入り込み、原点検出部にスケール検出用光が入り込む事態が確実に防止される。従って、変位信号，原点検出信号共に大きなＶPP／ＶDCが得られる。
【００２４】なお、実施の形態２では、受光部にインデックス格子４１ｂを有し、受光素子５ａとしてモノリシックＩＣを用いる場合を示したが、実施の形態１と同様に、受光側インデックス格子を省き、受光側インデックス格子を兼ねた受光素子アレイを用いてもよい。
【００２５】［実施の形態３］図６は、実施の形態１と実施の形態２の手法を組み合わせた実施の形態３の要部構成を、図２に対応する断面図で示している。即ち、実施の形態１と同様に、受光部５を構成するフォトダイオードアレイＰＤＡを反射膜５５により覆う。これと同時に、実施の形態２と同様に、透明基板４０の裏面には光ガイド部材４０１を形成する。この実施の形態によれば、光電変換効率の向上と迷光除去の効果により、更に大きなＶPP／ＶDCを得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、受光部に信号光の受光素子突き抜けを防止する反射膜を形成し、或いは受光部への迷光の入射を防止する光ガイド部材を設けることにより、小型化した場合の光電式エンコーダの高性能化を図ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３７６９４
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
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| 【出願日】 |
平成１１年７月２７日（１９９９．７．２７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９２８２０
【弁理士】
【氏名又は名称】伊丹 勝
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| 【公開番号】 |
特開２００１−４１７７５（Ｐ２００１−４１７７５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年２月１６日（２００１．２．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２１２６３２ |
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