JP2007071634A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 製造工程を複雑化することなく迷光を確実に遮断することができ検出精度の高い光電式エンコーダを提供する。
【解決手段】 この光電式エンコーダは、測定軸Ｘに沿ってスケール格子１２が形成されたメインスケール１と、このメインスケール１に対してその測定軸Ｘ方向に移動可能に配置されてスケール格子１２を読み取るセンサヘッド２とを備えている。センサヘッド２は、スケール格子１２に測定光を照射する光源２５と、スケール格子１２からの光を受光して変位信号を出力する受光素子アレイ２３とを備える。受光素子アレイ２３は、所定ピッチで配列され且つその間隙のフォトダイオードＰＤｉの各々に対する角度がスケール格子１２からの光の入射角に対応するようにパターニングされた遮光膜３４を備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は物体の相対的な変位量及び方向を検出するための光電式エンコーダに関する。

各種の工作機械や測定装置などでは、相対移動する２つの部材の変位を検出する光電エンコーダが使用されている。この光電エンコ−ダは、ＬＥＤ等の発光素子から出射される光束をスケールに向けて照射し、このスケールで透過、回折又は反射された光束をフォトダイオードなどの受光素子により受光し、この受光光束の状態に基づき物体の変位量及び方向を検出するものである。光電式エンコーダが搭載される装置の小型化の要請により、光電式エンコーダについても小型化の要請が強い。

しかし、光電式エンコーダを小型化した場合、乱反射光、漏れ光等の変位検出用の測定光以外の光（以下、「迷光」という）の入射を防ぐことが困難であり、これがノイズやオフセット信号となり検出精度を劣化させるという問題があった。例えば、原点検出系を備えた光電式エンコーダにおいては、この原点検出系が変位検出系とは別の光源、及び受光素子を有している。この原点検出用の光源からの光が変位検出系の受光素子に入射すると、それは変位検出系においてノイズ又はＤＣオフセットとなり、検出精度を劣化させる原因となる。

出願人が提案した特許文献１では、受光素子の検出面に対し斜め方向に配向された光ガイド部材を薄膜技術等により形成することにより、迷光を遮断する光電式エンコーダを開示している。しかし、この特許文献１の光ガイド部材のような三次元構造は、通常の受光素子アレイを形成するための半導体プロセスとは異なる特殊なプロセスにより形成されなければならず、形成工程が複雑化し、製造コストを増加させるという問題があった。
特開２００１ー４１７７５公報（段落００２０〜００２２、図５他）

本発明は、製造工程を複雑化することなく迷光を確実に遮断することができ検出精度の高い光電式エンコーダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光電式エンコーダは、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備え、前記センサヘッドは、前記スケール格子に測定光を照射する光源と、前記スケール格子からの光を受光して変位信号を出力する受光部とを備え、前記受光部は、所定ピッチで基板表面に受光素子を形成してなる受光素子アレイと、前記基板表面に形成される透明基板と、前記透明基板上に所定ピッチで配列され且つその間隙の前記受光素子の各々に対する角度が前記スケール格子からの光の入射角に対応するように金属配線層をパターニングすることにより形成された遮光膜とを備えたことを特徴とする。

この光電式エンコーダにおいて、前記遮光膜は、複数段に亘って形成されており、その複数段の各段における前記間隙が、前記スケール格子からの光の入射角に対応する角度となるようパターニングされるように構成することができる。この場合、迷光の遮光効果をより一層高めることが可能になる。なお、前記遮光膜は、前記受光素子アレイに接続される信号配線を兼用するものであってもよい。この場合更に、同一方向に重なり合う前記信号配線は互いに電気的に接続されているようにすることもできる。

この発明によれば、通常の半導体製造工程により、遮光膜の間隙の前記受光素子の各々に対する角度が前記スケール格子からの光の入射角に対応するように形成するので、製造工程を複雑化することなく迷光を確実に遮断することができ検出精度の高い光電式エンコーダを提供することが可能になる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］ この発明の第１の実施の形態の光電式エンコーダの構成を図１に示す。図１（ａ）はこの実施の形態に係る反射型の光電式エンコーダの平面図であり、同図（ｂ）は測定軸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、このメインスケール１に対して測定軸Ｘ方向に相対移動可能に構成されたセンサヘッド２とを備えている。メインスケール１は、ガラス基板１１を備えており、このガラス基板１１上に、スケール格子１２及び原点検出パターン１３が形成されている。スケール格子１２は、光電式エンコーダの分解能に対応する所定のピッチで形成されている。また原点検出パターン１３は、スケール格子１２のトラックよりもＹ方向にずれた別のトラックに沿って配置されている。

センサヘッド２は、ガラス基板２１上に、変位検出用のインデックス格子２２、変位検出用の受光素子アレイ２３、及び原点検出用の受光素子２４とを形成されて構成されている。またセンサヘッド２は、インデックス格子２２を照射する変位検出用ＬＥＤ２５と、原点検出パターン１３が存在するトラックをスリットＳ１を介して照射する原点検出用ＬＥＤ２６とを備えている。

受光素子アレイ２３は、インデックス格子２２を通過してスケール格子１２で反射した変位検出用ＬＥＤ２５からの測定光を受光してセンサヘッド２のメインスケール１に対する変位量及び方向を検出するためのものである。受光素子アレイ２３を構成する受光素子は、ＰＩＮフォトダイオードが好適であるが、ＰＮフォトダイオードであってもよいし、フォトトランジスタであってもよい。

受光素子アレイ２３の構造の詳細を図２に示す。受光素子アレイ２３は、シリコン基板３１の表面に所定ピッチで形成されたフォトダイオードＰＤｉ、このシリコン基板３１上に形成される透明基板としてのシリコン酸化膜３２及び３３、並びにシリコン酸化膜３２上に所定ピッチで形成される遮光膜３４とから構成される。遮光膜３４は、例えばアルミニウム金属膜等により形成することができる。シリコン基板３１上に形成されたシリコン酸化膜３２上にスパッタリング等によりアルミニウム膜を均一に形成した後、周知のフォトリソグラフィ法及びエッチングによりパターニングすることにより、遮光膜３４を形成することができる。図２（ｂ）平面的にも示されるように、遮光膜３４は、フォトダイオードＰＤｉの間隙に対応するように配置されているのではなく、それよりも横方向に所定のズレ量だけずれた位置に配列されている。そのズレ量は、遮光膜３４の間隙の端部と、フォトダイオードＰＤｉの端部とを結ぶ線分がシリコン基板３１となす角度θが、スケール格子１２から入射する信号光の入射角度に対応した角度となるように設定されている。このように遮光膜３４が構成されることにより、フォトダイオードＰＤｉにはスケール格子１２から例えば図２の矢印方向から斜め入射する信号光は入射可能とされる一方、ノイズ等の原因となり、他の方向から入射する迷光は遮光される。遮光膜３４はフォトリソグラフィとエッチングを含む通常の半導体製造工程で形成することができる。これはフォトダイオードＰＤｉを形成する工程と同様の工程であるので、製造工程の簡略化がなされている。

なお、遮光膜３４は、上述のようにアルミニウム膜等の導電膜で形成することができ、これを例えばフォトダイオードＰＤｉの検出信号を取り出すための信号配線に用いることができる。

［第２の実施の形態］ この発明の第２の実施の形態の光電式エンコーダを図３に示す。図３はこの実施の形態の光電式エンコーダの受光素子アレイ２３の構造の詳細を示す断面図である。光電式エンコーダ全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

この実施の形態では、シリコン酸化膜３３上に更に遮光膜３６を形成し、これをシリコン酸化膜３５で覆うことにより、遮光膜３４、３６を２段に構成している点で第１の実施の形態と異なっている。遮光膜３４、３６の端部を結ぶ線分がシリコン基板３１となす角度θが、スケール格子１２からの信号光の入射角と対応するように遮光膜３４、３６を配列する。この遮光膜３６は、遮光膜３４と同様に信号配線を兼用することができる。

遮光膜は図３のように２段でなくとも、３段又はそれ以上の複数段に形成することも可能である。このように複数段に亘って遮光膜を形成することにより、迷光がフォトダイオードＰＤｉに入射する可能性を更に低くすることができる。

なお、図４に示すように、上下方向で同一方向に重なり合う遮光膜３４、３６をコンタクトＶ１により接続し、コンタクトＶ１で互いに接続された遮光膜を同一の電気信号（フォトダイオードＰＤｉのＡ相信号、Ｂ相信号等）の送信に用いるようにすることもできる。この構成によれば、上下方向に積層する遮光膜３４、３６即ち信号線間での干渉が抑制されると共に、コンタクトＶ１の存在により迷光の遮断効果を高めることができる。

また、図５に示すように、上層（図５では最も下の位置）の遮光膜３６を、下層の遮光膜３４よりも厚く形成することもできる。これにより、迷光をより確実に遮断することが出来ると共に、遮光膜３６を電源電圧配線など大きな電流の流れる配線として用いることができる。

［第３の実施の形態］ 次に、本発明の第３の実施の形態に係る光電式エンコーダを、図６及び図７を参照して説明する。上記実施の形態と同一の構成部材に関しては図中同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この実施の形態では、光電式エンコーダ全体の構成は、第１の実施の形態と略同様である。ただしこの実施の形態では、インデックス格子２２が測定軸Ｘと垂直方向のＹ方向に変位した位置に形成され、変位検出用ＬＥＤ２５は、このインデックス格子２２をＹ方向から斜めに、即ち図６中ＹＺ平面を含む面においてインデックス格子２２を照射するように構成されている。従って、スケール格子１２からの信号光も、ＹＺ平面に沿った斜めの入射角で受光素子アレイ２３に入射する。

図７に、この光電式エンコーダの受光素子アレイ２３の構成を示す。同図（ａ）はフォトダイオードＰＤと遮光膜３４、３６の位置関係を示す平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＹ方向断面図である。

図７（ａ）に示すように、遮光膜３４、３６は、いずれも所定ピッチでフォトダイオードＰＤの長手方向と直交する方向に所定ピッチで配列されていると共に、遮光膜３６は、遮光膜３４に対しＹ方向に僅かにずれた位置に配置されている。このズレ量は、両者の端部を結ぶ線分がシリコン基板３１となす角度θが、スケール格子１２からの信号光の入射角と対応するように設定される（図７（ｂ）参照）。このように遮光膜３４、３６が形成されることにより、図６に示す構成の光電式エンコーダにおいても、スケール格子１２からの信号光は受光素子アレイ２３に入射可能とすることができる一方、迷光を効果的に遮断することができる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々に改変、置換等が可能である。例えば、上記実施の形態では反射型スケール格子を有するメインスケールを説明したが、透過型スケール格子を採用したものにも本発明は適用可能である。また、上記実施の形態では１次元の変位量を検出するエンコーダを説明したが、２次元位置を検出するエンコーダに本発明が適用可能であることはいうまでもない。

また、上記実施の形態では、原点検出用ＬＥＤ２６を変位検出用ＬＥＤ２５とは別に設けている。しかし、図８（ａ）（ｂ）に示すように、変位検出用ＬＥＤ２５からの光をミラー２７、２８により原点検出パターン１３に導くことにより、変位検出用ＬＥＤ２５に原点検出用ＬＥＤを兼用させ、原点検出用ＬＥＤ２６は廃止するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態の光電式エンコーダの構成を示す。 図１の受光素子アレイ２３の構造の詳細を示す。 本発明の第２の実施の形態の光電式エンコーダの構成を示す。 第２の実施の形態の光電式エンコーダ中の受光素子アレイ２３の変形例を示す。 第２の実施の形態の光電式エンコーダ中の受光素子アレイ２３の別の変形例を示す。 本発明の第３の実施の形態の光電式エンコーダの構成を示す。 第３の実施の形態の光電式エンコーダの受光素子アレイ２３の詳細を示す。 本発明の実施の形態の変形例を示す。

符号の説明

１・・・メインスケール、 ２・・・センサヘッド、 １１・・・ガラス基板、 １２・・・スケール格子、 １３・・・原点検出パターン、 ２１・・・ガラス基板、 ２２・・・インデックス格子、 ２３・・・受光素子アレイ、 ２４・・・受光素子、 ２５・・・変位検出用ＬＥＤ、 ２６・・・原点検出用ＬＥＤ、
２７、２８・・・ミラー、 ３１・・・シリコン基板、 ＰＤｉ・・・フォトダイオード、 ３２、３３・・・シリコン酸化膜、 ３４、３５、３６・・・遮光膜、 Ｖ１・・・コンタクト。

Claims (6)

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
   を備え、
   前記センサヘッドは、
   前記スケール格子に測定光を照射する光源と、
   前記スケール格子からの光を受光して変位信号を出力する受光部と
   を備え、
   前記受光部は、
   所定ピッチで基板表面に受光素子を形成してなる受光素子アレイと、
   前記基板表面に形成される透明基板と、
   前記透明基板上に所定ピッチで配列され且つその間隙の前記受光素子の各々に対する角度が前記スケール格子からの光の入射角に対応するように金属配線層をパターニングすることにより形成された遮光膜と
   を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記遮光膜は、複数段に亘って形成されており、その複数段の各段における前記間隙が、前記スケール格子からの光の入射角に対応する角度で配列されるようパターニングされたことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
3. 前記メインスケールは、原点位置を示す原点検出パターンを更に備え、
   前記センサヘッドは、前記原点検出パターンを検出するための原点検出用受光素子を更に備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
4. 前記センサヘッドは、前記原点検出パターンを照明するための原点検出用光源を更に備えた請求項３記載の光電式エンコーダ。
5. 前記遮光膜は、前記受光素子アレイに接続される信号配線を兼用するものである請求項１記載の光電式エンコーダ。
6. 同一方向に重なり合う前記信号配線はコンタクトを介して互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項５記載の光電式エンコーダ。

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