JP4588227B2

JP4588227B2 - Displacement measuring device

Info

Publication number: JP4588227B2
Application number: JP2001027685A
Authority: JP
Inventors: 敏彦青木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2021-02-05
Also published as: JP2001289674A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、相対移動可能に配置されて変位信号を出力するスケールと受信素子アレイによって構成される変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、受光側のインデックス格子を兼ねて受光素子アレイを用いる光電式エンコーダが知られている。スケールの光学格子ピッチをλとしたとき、受光素子アレイは例えば、４相の変位信号を得る場合であれば、３λ／４ピッチで受光素子を配列して構成される。この場合、受光素子アレイの同相の受光素子は並列接続されて、Ａ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢの４相出力が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
微細ピッチの光電式エンコーダを作る場合、受光素子アレイの配列ピッチも微細になる。この微細化の結果、例えば隣接する受光素子のスペースにゴミの付着やエッチング残り等があると、隣接する受光素子間が短絡し又はリークが増大するという事故が発生する。隣接する受光素子は異なる相の変位信号出力用であるから、この様な短絡やリークは、光電式エンコーダの信頼性や歩留まり低下の原因となる。また、受光素子の幅が小さいものとなると、これに対する配線コンタクトが不十分になり、これも信頼性の低下の原因となる。
【０００４】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、微細スケールピッチの場合の信頼性及び歩留まり向上を可能とした変位測定装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定軸に沿ってピッチλのスケール格子が形成されたスケールと、このスケールに対して前記測定軸に沿って相対移動可能に配置されて、前記スケール格子を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受信素子アレイとを有する変位測定装置において、前記受信素子アレイは、基板と、この基板に形成されて、それぞれピッチｎλ（但し、ｎは正の整数）で前記測定軸に沿って配列された複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部を相互に連結する連結部とを備えて異なる位相の変位信号を出力する複数の受信素子とを有することを特徴とする。
【０００６】
この発明において、一つの受信素子は、スケールのピッチと同じか又はその整数倍のピッチを持つ複数本のストライプパターン部とこれらを連結する連結部とから構成される。言い換えれば、この発明において、一つの受信素子は、通常の受信素子アレイにおける同相の複数本の受信素子を一つにまとめた状態として構成している。
この様な構成とすれば、一つの受信素子内の隣接するストライプパターン部の間にゴミやエッチング残りがあって短絡やリークが発生しても、この隣接するストライプパターン部は同相出力用であるから、変位出力信号には何ら影響を与えない。従って、微細ピッチのエンコーダの信頼性及び歩留まり向上が図られる。
またこの発明において、各受信素子は、ストライプパターン部から連結部まで連続する受信面が形成されるものとし、その連結部を配線コンタクト部とすれば、ストライプパターン部が細いものであっても確実なコンタクトをとることができる。
【０００７】
この発明は例えば、光学式エンコーダに適用される。この場合、スケール格子は光学格子であり、受信素子アレイは受光素子アレイにより構成される。
この場合、複数の受光素子は例えば、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／２｝λ（但し、Ｍは正の整数）の配列ピッチで測定軸方向に配列されて互いに逆相の２相の変位信号を出力する２個で１セットの受光素子を有するものとすることができる。
或いはまた、複数の受光素子は、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／４）λ（但し、Ｍは正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて９０°ずつ位相の異なる４相の変位信号を出力する４個で１セットの受光素子を有するものとすることができる。さらに、複数の受光素子は、（ｎ＋Ｎ／３）λ（但し、Ｎは３の倍数を除く正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて１２０°ずつ位相の異なる３相の変位信号を出力する３個で１セットの受光素子を有するものとすることができる。
【０００８】
更にこの発明において、一つの受光素子の連結部は、（ａ）ストライプパターン部の中央部間を連結するものとすることもできるし、（ｂ）ストライプパターン部の端部間を連結するものとすることもできるし、或いは（ｃ）ストライプパターン部の複数箇所で連結するものとすることもできる。
【０００９】
この発明はまた、磁気エンコーダや静電容量式エンコーダにも適用できる。前者の場合、スケール格子は、ピッチλの周期的磁界を発生する磁気スケールであり、受信素子アレイは磁気検出素子アレイにより構成される。また、後者の場合、スケール格子は、転送電極アレイにより構成され、センサヘッドは、転送電極と容量結合する送信電極と、受信素子アレイとしての受信電極アレイにより構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、この発明が適用される光電式エンコーダの基本構成を示している。いずれも、スケール１と、このスケール１に対してその測定軸ｘ方向に相対移動して変位信号を出力するセンサヘッド２とから構成される。図１は透過型エンコーダであり、図２は反射型エンコーダである。即ち図１では、スケール１は、基板１１が透明基板であり、これに透過部と非透過部を配列した透過型の光学格子１２が形成されている。図２では、スケールは、基板１１に反射部と非反射部を配列した反射型の光学格子１２が形成されている。
【００１１】
センサヘッド２は、ＬＥＤ等の光源２１とインデックス格子２３、及びスケール１からの光を受光する受光素子アレイ２２により構成されている。受光素子アレイ２２は、複数の受光素子をスケール１の光学格子ピッチとの関係で所定ピッチで配列することにより、複数位相の変位信号が得られるように構成される。
【００１２】
［実施の形態１］
図３は、図１及び図２のいずれの形式にも適用可能なスケール１と受光素子アレイ２２の関係を示している。スケール１の光学格子１２は、測定軸ｘに沿って透過部（又は反射部）１２ａと不透過部（又は非反射部）１２ｂを交互に配列して構成され、そのピッチはλとする。受光素子アレイ２２は、基板３１と、この上に形成された二つの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２とから構成されている。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２はそれぞれ、スケール１の光学格子１２と同じピッチＳ１＝λで測定軸ｘ方向に配列された３本のストライプパターン部３２と、これらを連結する連結部３３とから構成される。
【００１３】
受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の相対位置関係は、一方の受光素子ＰＤ１のストライプパターン部３２がスケール１の光学格子１２の透過部（又は反射部）１２ａと重なるときに、他方の受光素子ＰＤ２のストライプパターン部３２はスケール１の光学格子１２の不透過部（又は非反射部）１２ｂと重なるように設定されている。即ち、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の配列ピッチは、Ｐ１＝３λ＋λ／２に設定されて、これらの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２には逆相のＡ，Ｂ相変位出力信号が得られるようになっている。
【００１４】
図３では、二つの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のみ示しているが、一般的にはこの二つの受光素子を１セットとして、複数セットの受光素子が配置される。また、図３の実施の形態の場合、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２が３本のストライプパターン部３２を持つ例を示しているが、一般的には２本以上のストライプパターン部があればよい。即ち各受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のストライプパターン部３２のピッチは、一般的には、Ｓ１＝ｎλ（ｎ：正の整数）であればよい。また受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の間の隣接するストライプパターン部３２のピッチＳ２は図の場合、Ｓ２＝３λ／２であるが、必要なスペースを確保して且つ逆相出力を得る条件としては一般的には、Ｓ２＝｛（２Ｍ−１）／２｝λ（Ｍ：正の整数）であればよい。
【００１５】
以上から、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の配列ピッチＰ１は一般的には、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／２｝λとすればよい。
図３では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の端子配線を省略している。この端子配線を含めて受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の具体的な構造例を示すと、図４のようになる。図４Ａは平面図であり、図４Ｂ，４Ｃはそれぞれ図４ＡのＩ−Ｉ’，II−II’断面図である。
【００１６】
受光素子ＰＤ１，ＰＤ２は、ガラス等の基板３１に堆積形成されたｐ型、ｉ型、ｎ型のアモルファスシリコン層３２１，３２２，３２３をパターニングして作らたフォトダイオードである。このフォトダイオードは、ストライプパターン部３２とこれらの中央部で連結する連結部３３に連続する一つの受光面を持つ。基板表面には予め共通電極３１１が形成されている。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２はＣＶＤ酸化膜等の絶縁膜３１２で覆われ、これにコンタクト孔３１４を開けて配線３１３が形成される。この実施の形態において、配線３１３のコンタクト孔３１４は、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の複数のストライプパターン部３２をそれらの中央部で連結する連結部３３に形成している。
【００１７】
以上のようにこの実施の形態では、一つの受光素子が、通常の光電式エンコーダでの受光素子アレイにおける同相の複数本の受光素子を一体にまとめたものとして構成される。この場合、受光素子内でストライプパターン部３２の間にゴミ等が入り、或いはエッチング残りがあったとしても、変位出力信号には影響がない。この実施の形態の場合、ゴミ等が問題になるのは、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の間のスペースであるが、このスペースは受光素子が１セットの場合には１箇所のみである。また図３の場合、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の間のスペースはλに設定されており、各受光素子内でのストライプパターン部３２のスペースλ／２より大きい。
【００１８】
従ってこの実施の形態によると、スケールピッチλが微細になっても、ゴミ等による歩留まり低下や信頼性低下が抑制され、また異なる位相の変位出力信号間のクロストーク雑音も抑制される。また、連結部に配線コンタクトを形成することにより、やはりスケールピッチλが微細になった場合にも、低抵抗の配線コンタクトがとれる。
【００１９】
［実施の形態２］
図５Ａは、別の実施の形態について、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のレイアウトを示している。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。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の各部の寸法も先の実施の形態と同様とする。この実施の形態では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のストライプパターン部３２を連結する連結部３３を、ストライプパターン部３２の端部に配置して、ここを配線コンタクト部とする。
このようにすると、先の実施の形態に比べて受光素子ＰＤ１，ＰＤ２内での信号遅延が大きくなるが、配線を端部のみから引き出させるため、配線の幅に対する制限が緩くなる等、デバイス製造は容易になる。
図５Ｂは、図５Ａの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の両端部に連結部３３を配置したレイアウトである。
【００２０】
［実施の形態３］
図６Ａは、更に別の実施の形態について、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のレイアウトを示している。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。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の各部の寸法も先の実施の形態と同様とする。この実施の形態では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のストライプパターン部３２を連結する連結部３３を、ストライプパターン部３２の複数箇所に設けて、ここを配線コンタクト部とする。
この実施の形態によると、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２内での信号遅延の影響を低減することができる。
図６Ｂは、図６Ａの受光素子ＰＤ１，ＰＤ１の両端部に連結部３３を配置したレイアウトである。
【００２１】
［実施の形態４］
ここまでの実施の形態は、２相の変位出力を得る場合を説明したが、この発明は４相の変位出力を得るエンコーダにも同様に適用できる。図７はそのような実施の形態の４相の受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４のレイアウトを示している。各受光素子の構成は、図３の実施の形態と同じものとしている。この実施の形態の場合、４つの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４を、測定軸方向に配列ピッチＰ２＝３λ＋λ／４で配列している。これにより、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４から、９０°ずつ位相がずれたＡ，ＡＢ，Ｂ，ＢＢ相の変位出力を得ることができる。
【００２２】
図３の実施の形態において説明したように、一つの受光素子のストライプパターン部３２は少なくとも２本あればよい。また、隣接する受光素子のストライプパターン部３２の間隔を（２Ｍ−１）λ／４（但し、Ｍは正の整数）だけ確保するとした場合、この実施の形態での受光素子配列ピッチＰ２は一般的には、Ｐ２＝｛ｎ＋（２Ｍ−１）／４｝λと表される。
【００２３】
この実施の形態によっても先の実施の形態と同様の効果が得られる。受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４のレイアウトとして、図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ或いは図６Ｂの方式を適用することもできる。
また図７では、４個で１セットの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４を示しているが、複数セットの受光素子を用いることもできる。
【００２４】
［実施の形態５］
図８は、３相の変位出力信号を得るエンコーダに適用した実施の形態について、３相の受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３のレイアウトを示している。各受光素子の構成は、図３の実施の形態と同じものとしている。この実施の形態の場合、３つの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３を、測定軸方向に配列ピッチＰ３＝３λ＋λ／３で配列している。これにより、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３から、１２０°ずつ位相がずれたＡ，Ｂ，Ｃ相の変位出力を得ることができる。
【００２５】
図３の実施の形態において説明したように、一つの受光素子のストライプパターン部３２は少なくとも２本あればよい。また、隣接する受光素子のストライプパターン部３２の間隔をＮλ／３（但し、Ｎは３の倍数を除く正の整数）だけ確保するとした場合、この実施の形態での受光素子配列ピッチＰ３は一般的には、Ｐ３＝（ｎ＋Ｎ／３）λと表される。
この実施の形態によっても先の実施の形態と同様の効果が得られる。受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３のレイアウトとして、図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ或いは図６Ｂの方式を適用することもできる。
また図８では、３個で１セットの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３を示しているが、複数セットの受光素子を用いることもできる。
【００２６】
ここまでの実施の形態では、受光素子をアモルファスシリコン膜によるフォトダイオードにより説明したが、単結晶シリコン基板に形成するフォトダイオードとする場合も同様にこの発明を適用することができる。
【００２７】
［実施の形態６］
図９は、この発明を磁気エンコーダに適用した実施の形態である。スケール１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、ここまでの実施の形態と同じである。スケール１は、Ｓ極とＮ極が測定軸ｘに沿ってピッチλで配列されて磁気的格子を構成し、周期的磁界を発生する。センサヘッド２は、基板４１にスケール１の磁界を検出する磁気検出素子として磁気抵抗素子４２を配列して構成されている。
【００２８】
一つの磁気抵抗素子４２は、λの間隔で配置された複数本（図の場合、２本）のストライプパターン部４３とこれらを連結する連結部４４を有する。この様な磁気抵抗素子４２が、図の場合、Ｐ＝２λ＋λ／４のピッチで４個を１セットとして配列されて、それぞれＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢの４相の変位信号を出力する。一つの磁気抵抗素子のストライプパターン部の間隔は、一般的にはｎλ（ｎは正の整数）とすることができる。
【００２９】
この実施の形態の場合も、スケールピッチの微細化に伴い、異なる位相で配列される磁気抵抗素子を先の実施の形態と同様に組み替えることにより、先の実施の形態と同様の効果が得られる。
なお磁気エンコーダにはスケールからの誘導磁界を検出する誘導式もあり、この場合には磁気検出素子としてコイル等が用いられるが、この誘導式磁気エンコーダにも同様にこの発明の適用が可能である。
【００３０】
［実施の形態７］
図１０は、この発明を静電容量式エンコーダに適用した実施の形態である。スケール１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、先の実施の形態と同じである。スケール１には所定ピッチで転送電極５１が配列され、センサヘッド２には転送電極５１と容量結合する受信電極群５２と送信電極５３を有する。受信電極群５２がその物理的配置により位相情報を持つ。
【００３１】
通常の場合であれば、受信電極群５２は、例えば図１１Ａに示すように、ピッチλ／３でＡ，Ｂ，Ｃの３相の受信電極が配列され、同相の受信電極が同じ位相の信号を受信する。
これに対してこの実施の形態では、受信電極群５２は、図１１Ｂに示すように、図１１Ａの同相の２本ずつの受信電極をまとめて一つにした受信電極５５を、λ＋２λ／３の配列ピッチで配置して、Ａ，Ｂ，Ｃ相の受信素子とする。各受信電極５５が間隔λのストライプパターン部５３とこれらを連結する連結部５４とから構成されることは、例えば実施の形態１の受光素子と同様である。或いは、図１１Ｃに示すように、受信電極５５をλ＋４λ／３の配列ピッチで配置して、Ａ，Ｂ，Ｃ相の受信素子とする。更には、図１１Ｃに破線で示すように、受信電極５５をλ＋λ／３の配列ピッチで配置して、Ａ，Ｂ，Ｃ相の受信素子とすることもできる。
【００３２】
また、図１１Ａの受信電極配列を、図１２Ａに示すように、同相の２本ずつのの受信電極が隣接するように並べ変えることもできる。この場合、同相の２本ずつの受信電極をまとめて、ストライプパターン部５３と連結部５４からなる一つの受信電極５５にすると、図１２Ｂのようになる。これは、図１１Ｂと同じになる。
この実施の形態の場合も、スケールピッチが微細化したときに受信電極配列に余裕を持たせ、またゴミ等による異なる相の受信電極の短絡を防止して、信頼性向上を図ることができる。
【００３３】
図１１Ｂ或いは図１２Ｂに示すように、受信電極５５を２λ／３の間隔で配列する場合と、図１１Ｃに実線で示すように、受信電極５５を４λ／３の間隔で配列する場合を比較すると、図１１Ｃの構成は平均化効果が大きいが、１セットの受信素子面積が大きくなる。これに対して、図１１Ｂでは、受信素子面積を小さくできる。
この実施の形態では、１２０°位相差の３相の変位信号を出力する場合を説明したが、９０°位相差の４相、或いは１８０°位相差の２相の変位出力を得る静電容量式エンコーダにも同様に適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、微細スケールピッチの場合の信頼性及び歩留まり向上を可能とした変位測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明が適用される光電式エンコーダの構成例を示す図である。
【図２】この発明が適用される光電式エンコーダの他の構成例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるスケールと受光素子の関係を示す図である。
【図４Ａ】同実施の形態１の受光素子の構造を示す図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＩ−Ｉ’断面図である。
【図４Ｃ】図４ＡのII−II’断面図である。
【図５Ａ】実施の形態２による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａのレイアウトを変形したレイアウトを示す図である。
【図６Ａ】実施の形態３による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａのレイアウトを変形したレイアウトを示す図である。
【図７】実施の形態４による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図８】実施の形態５による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図９】実施の形態６による磁気エンコーダの構成を示す図である。
【図１０】実施の形態７による静電容量式エンコーダの構成を示す図である。
【図１１Ａ】従来の送信電極群の構成を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａと比較して示す実施の形態の送信電極群の構成を示す図である。
【図１１Ｃ】送信電極群の他の構成を示す図である。
【図１２Ａ】従来の送信電極群の他の構成を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａと比較して示す実施の形態の送信電極群の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…スケール、２…センサヘッド、２２…受光素子アレイ、ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４…受光素子、３１…基板、３２…ストライプパターン部、３３…連結部、３１３…配線、３１４…コンタクト孔。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement measuring device including a scale that is arranged to be relatively movable and outputs a displacement signal, and a receiving element array.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a photoelectric encoder using a light receiving element array also serving as an index grating on the light receiving side is known. When the optical grating pitch of the scale is λ, the light receiving element array is configured by arranging the light receiving elements at a pitch of 3λ / 4, for example, when obtaining a four-phase displacement signal. In this case, the light receiving elements having the same phase in the light receiving element array are connected in parallel to obtain a four-phase output of A, BB, B, and AB.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When a photoelectric encoder with a fine pitch is made, the arrangement pitch of the light receiving element arrays becomes fine. As a result of this miniaturization, for example, if dust adheres to or remains after etching in the space between adjacent light receiving elements, an accident occurs in which adjacent light receiving elements are short-circuited or leakage increases. Since the adjacent light receiving elements are for output of displacement signals of different phases, such a short circuit or leakage causes a decrease in reliability and yield of the photoelectric encoder. Further, if the width of the light receiving element is small, the wiring contact with the light receiving element becomes insufficient, which also causes a decrease in reliability.
[0004]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a displacement measuring apparatus capable of improving reliability and yield in the case of a fine scale pitch.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has a scale in which a scale grating having a pitch λ is formed along a measurement axis, and is arranged so as to be relatively movable along the measurement axis with respect to the scale. In a displacement measuring apparatus having a receiving element array that outputs a plurality of displacement signals, the receiving element array is formed on a substrate and the substrate, and the measuring axis is arranged at a pitch nλ (where n is a positive integer). And a plurality of receiving elements that output displacement signals having different phases, and a plurality of stripe pattern portions arranged along the stripes and a connecting portion that connects these stripe pattern portions to each other.
[0006]
In the present invention, one receiving element is composed of a plurality of stripe pattern portions having a pitch equal to or an integral multiple of the scale pitch and a connecting portion for connecting them. In other words, in the present invention, one receiving element is configured as a state in which a plurality of receiving elements having the same phase in a normal receiving element array are combined into one.
With such a configuration, even if there is dust or etching residue between adjacent stripe pattern portions in one receiving element and a short circuit or leak occurs, this adjacent stripe pattern portion is for in-phase output. Therefore, the displacement output signal is not affected at all. Therefore, the reliability and yield of the fine pitch encoder can be improved.
Further, in the present invention, each receiving element is formed with a continuous receiving surface from the stripe pattern portion to the connecting portion, and if the connecting portion is a wiring contact portion, the stripe pattern portion is surely thin. Contact can be made.
[0007]
The present invention is applied to, for example, an optical encoder. In this case, the scale grating is an optical grating, and the receiving element array is constituted by a light receiving element array.
In this case, for example, the plurality of light receiving elements are arranged in the measurement axis direction at an arrangement pitch of {n + (2M−1) / 2} λ (where M is a positive integer), and are two-phase displacement signals having opposite phases to each other. It is possible to have one set of light receiving elements.
Alternatively, the plurality of light receiving elements are arranged in the measurement axis direction at an arrangement pitch of {n + (2M−1) / 4) λ (where M is a positive integer), It is possible to have four sets of light receiving elements that output displacement signals. Further, the plurality of light receiving elements are arranged in the measurement axis direction at an arrangement pitch of (n + N / 3) λ (where N is a positive integer excluding a multiple of 3), and are displaced in three phases with phases different by 120 °. It is possible to have three sets of light receiving elements that output signals.
[0008]
Further, in the present invention, the connecting portion of one light receiving element may be (a) connecting the central portions of the stripe pattern portions, or (b) connecting the end portions of the stripe pattern portions. Or (c) a plurality of stripe pattern portions can be connected.
[0009]
The present invention can also be applied to a magnetic encoder and a capacitive encoder. In the former case, the scale grating is a magnetic scale that generates a periodic magnetic field with a pitch λ, and the receiving element array is constituted by a magnetic detection element array. In the latter case, the scale grating is constituted by a transfer electrode array, and the sensor head is constituted by a transmission electrode capacitively coupled to the transfer electrode and a reception electrode array as a reception element array.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show a basic configuration of a photoelectric encoder to which the present invention is applied. Both are composed of a scale 1 and a sensor head 2 that moves relative to the scale 1 in the measurement axis x direction and outputs a displacement signal. FIG. 1 shows a transmissive encoder, and FIG. 2 shows a reflective encoder. That is, in FIG. 1, the scale 1 has a substrate 11 as a transparent substrate, and a transmissive optical grating 12 in which a transmissive portion and a non-transmissive portion are arranged. In FIG. 2, the scale is formed with a reflective optical grating 12 in which a reflective portion and a non-reflective portion are arranged on a substrate 11.
[0011]
The sensor head 2 includes a light source 21 such as an LED, an index grating 23, and a light receiving element array 22 that receives light from the scale 1. The light receiving element array 22 is configured to obtain a plurality of phase displacement signals by arranging a plurality of light receiving elements at a predetermined pitch in relation to the optical grating pitch of the scale 1.
[0012]
[Embodiment 1]
FIG. 3 shows the relationship between the scale 1 and the light receiving element array 22 that can be applied to any of the types shown in FIGS. The optical grating 12 of the scale 1 is configured by alternately arranging transmissive portions (or reflective portions) 12a and non-transmissive portions (or non-reflective portions) 12b along the measurement axis x, and the pitch is λ. The light receiving element array 22 includes a substrate 31 and two light receiving elements PD1 and PD2 formed thereon. Each of the light receiving elements PD1 and PD2 includes three stripe pattern portions 32 arranged in the measurement axis x direction at the same pitch S1 = λ as the optical grating 12 of the scale 1, and a connecting portion 33 for connecting them. .
[0013]
The relative positional relationship between the light receiving elements PD1 and PD2 is that when the stripe pattern part 32 of one light receiving element PD1 overlaps the transmission part (or reflection part) 12a of the optical grating 12 of the scale 1, the stripe pattern of the other light receiving element PD2 The part 32 is set so as to overlap with the non-transmissive part (or non-reflective part) 12 b of the optical grating 12 of the scale 1. That is, the arrangement pitch of the light receiving elements PD1 and PD2 is set to P1 = 3λ + λ / 2, and the A and B phase displacement output signals having opposite phases can be obtained from these light receiving elements PD1 and PD2.
[0014]
Although only two light receiving elements PD1 and PD2 are shown in FIG. 3, in general, a plurality of sets of light receiving elements are arranged with the two light receiving elements as one set. In the embodiment shown in FIG. 3, the light receiving elements PD1 and PD2 have three stripe pattern portions 32. However, in general, two or more stripe pattern portions are sufficient. That is, the pitch of the stripe pattern portions 32 of the light receiving elements PD1 and PD2 may generally be S1 = nλ (n: a positive integer). In the figure, the pitch S2 of the adjacent stripe pattern portions 32 between the light receiving elements PD1 and PD2 is S2 = 3λ / 2. However, a general condition for securing a necessary space and obtaining a reverse phase output is as follows. S2 = {(2M−1) / 2} λ (M: positive integer).
[0015]
From the above, the arrangement pitch P1 of the light receiving elements PD1 and PD2 is generally set to {n + (2M−1) / 2} λ.
In FIG. 3, the terminal wirings of the light receiving elements PD1 and PD2 are omitted. A specific structural example of the light receiving elements PD1 and PD2 including this terminal wiring is shown in FIG. 4A is a plan view, and FIGS. 4B and 4C are cross-sectional views taken along lines II ′ and II-II ′ of FIG. 4A, respectively.
[0016]
The light receiving elements PD1 and PD2 are photodiodes formed by patterning p-type, i-type, and n-type amorphous silicon layers 321, 322, and 323 deposited on a substrate 31 such as glass. This photodiode has one light receiving surface continuous to the stripe pattern portion 32 and the connecting portion 33 connected at the central portion thereof. A common electrode 311 is formed in advance on the substrate surface. The light receiving elements PD1 and PD2 are covered with an insulating film 312 such as a CVD oxide film, and a contact hole 314 is opened in this to form a wiring 313. In this embodiment, the contact hole 314 of the wiring 313 is formed in the connecting portion 33 that connects the plurality of stripe pattern portions 32 of the light receiving elements PD1 and PD2 at their central portions.
[0017]
As described above, in this embodiment, one light receiving element is configured as a single unit of a plurality of in-phase light receiving elements in a light receiving element array in a normal photoelectric encoder. In this case, even if dust or the like enters between the stripe pattern portions 32 in the light receiving element or there is an etching residue, the displacement output signal is not affected. In this embodiment, dust or the like becomes a problem in the space between the light receiving elements PD1 and PD2, but this space is only one place when the number of light receiving elements is one set. In the case of FIG. 3, the space between the light receiving elements PD1 and PD2 is set to λ, which is larger than the space λ / 2 of the stripe pattern portion 32 in each light receiving device.
[0018]
Therefore, according to this embodiment, even if the scale pitch λ becomes fine, the yield reduction and reliability reduction due to dust and the like are suppressed, and the crosstalk noise between the displacement output signals of different phases is also suppressed. Further, by forming a wiring contact at the connecting portion, a low-resistance wiring contact can be obtained even when the scale pitch λ becomes finer.
[0019]
[Embodiment 2]
FIG. 5A shows the layout of the light receiving elements PD1 and PD2 according to another embodiment. Portions corresponding to those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the previous embodiment, and detailed description thereof is omitted. The dimensions of each part of the light receiving elements PD1 and PD2 are the same as those in the previous embodiment. In this embodiment, a connecting portion 33 that connects the stripe pattern portions 32 of the light receiving elements PD1 and PD2 is arranged at the end of the stripe pattern portion 32, and this is used as a wiring contact portion.
In this way, the signal delay in the light receiving elements PD1 and PD2 becomes larger than in the previous embodiment. However, since the wiring is drawn out only from the end portion, the restriction on the width of the wiring becomes loose. Becomes easier.
FIG. 5B is a layout in which connecting portions 33 are arranged at both ends of the light receiving elements PD1 and PD2 in FIG. 5A.
[0020]
[Embodiment 3]
FIG. 6A shows a layout of the light receiving elements PD1 and PD2 according to still another embodiment. Portions corresponding to those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the previous embodiment, and detailed description thereof is omitted. The dimensions of each part of the light receiving elements PD1 and PD2 are the same as those in the previous embodiment. In this embodiment, connecting portions 33 for connecting the stripe pattern portions 32 of the light receiving elements PD1 and PD2 are provided at a plurality of locations of the stripe pattern portion 32, which are used as wiring contact portions.
According to this embodiment, the influence of signal delay in the light receiving elements PD1 and PD2 can be reduced.
FIG. 6B is a layout in which connecting portions 33 are arranged at both ends of the light receiving elements PD1 and PD1 in FIG. 6A.
[0021]
[Embodiment 4]
Although the embodiments so far have been described with respect to obtaining a two-phase displacement output, the present invention can be similarly applied to an encoder for obtaining a four-phase displacement output. FIG. 7 shows a layout of the four-phase light receiving elements PD1 to PD4 of such an embodiment. The configuration of each light receiving element is the same as that of the embodiment of FIG. In the case of this embodiment, the four light receiving elements PD1 to PD4 are arranged at an arrangement pitch P2 = 3λ + λ / 4 in the measurement axis direction. Thereby, displacement outputs of the A, AB, B, and BB phases whose phases are shifted by 90 ° can be obtained from the light receiving elements PD1 to PD4.
[0022]
As described in the embodiment of FIG. 3, it is sufficient that at least two stripe pattern portions 32 of one light receiving element are provided. Further, when the interval between the stripe pattern portions 32 of adjacent light receiving elements is secured by (2M-1) λ / 4 (where M is a positive integer), the light receiving element arrangement pitch P2 in this embodiment is generally Specifically, P2 = {n + (2M−1) / 4} λ.
[0023]
This embodiment can provide the same effects as those of the previous embodiment. As a layout of the light receiving elements PD1 to PD4, the method of FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 6A, or FIG. 6B can be applied.
In FIG. 7, four sets of the light receiving elements PD1 to PD4 are shown, but a plurality of sets of light receiving elements can also be used.
[0024]
[Embodiment 5]
FIG. 8 shows a layout of the three-phase light receiving elements PD1 to PD3 in an embodiment applied to an encoder that obtains a three-phase displacement output signal. The configuration of each light receiving element is the same as that of the embodiment of FIG. In the case of this embodiment, the three light receiving elements PD1 to PD3 are arranged at an arrangement pitch P3 = 3λ + λ / 3 in the measurement axis direction. Thereby, the displacement outputs of the A, B, and C phases whose phases are shifted by 120 ° can be obtained from the light receiving elements PD1 to PD3.
[0025]
As described in the embodiment of FIG. 3, it is sufficient that at least two stripe pattern portions 32 of one light receiving element are provided. Further, when it is assumed that the interval between the stripe pattern portions 32 of adjacent light receiving elements is Nλ / 3 (where N is a positive integer excluding a multiple of 3), the light receiving element arrangement pitch P3 in this embodiment is generally Specifically, P3 = (n + N / 3) λ.
This embodiment can provide the same effects as those of the previous embodiment. As a layout of the light receiving elements PD1 to PD3, the method of FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 6A, or FIG. 6B can be applied.
In FIG. 8, three sets of light receiving elements PD1 to PD3 are shown, but a plurality of sets of light receiving elements can also be used.
[0026]
In the embodiments so far, the light receiving element has been described as a photodiode using an amorphous silicon film. However, the present invention can be similarly applied to a photodiode formed on a single crystal silicon substrate.
[0027]
[Embodiment 6]
FIG. 9 shows an embodiment in which the present invention is applied to a magnetic encoder. Having the scale 1 and the sensor head 2 opposite to the scale 1 is the same as in the above embodiments. In the scale 1, the S pole and the N pole are arranged at a pitch λ along the measurement axis x to form a magnetic grating and generate a periodic magnetic field. The sensor head 2 is configured by arranging a magnetoresistive element 42 as a magnetic detection element for detecting a magnetic field of the scale 1 on a substrate 41.
[0028]
One magnetoresistive element 42 has a plurality (two in the figure) of stripe pattern portions 43 arranged at intervals of λ and a connecting portion 44 for connecting them. In the figure, such magnetoresistive elements 42 are arranged as a set of four elements at a pitch of P = 2λ + λ / 4, and output 4-phase displacement signals A, B, AB, and BB, respectively. The interval between the stripe pattern portions of one magnetoresistive element can be generally nλ (n is a positive integer).
[0029]
Also in this embodiment, the same effect as the previous embodiment can be obtained by rearranging the magnetoresistive elements arranged in different phases in the same manner as the previous embodiment as the scale pitch becomes finer. .
There is also an induction type that detects an induction magnetic field from a scale. In this case, a coil or the like is used as a magnetic detection element, but the present invention can be similarly applied to this induction type magnetic encoder. .
[0030]
[Embodiment 7]
FIG. 10 shows an embodiment in which the present invention is applied to a capacitive encoder. Having the scale 1 and the sensor head 2 facing the scale 1 is the same as in the previous embodiment. The transfer electrodes 51 are arranged at a predetermined pitch on the scale 1, and the sensor head 2 has a reception electrode group 52 and a transmission electrode 53 that are capacitively coupled to the transfer electrodes 51. The receiving electrode group 52 has phase information due to its physical arrangement.
[0031]
In a normal case, the reception electrode group 52 includes, for example, as shown in FIG. 11A, three-phase reception electrodes A, B, and C are arranged at a pitch λ / 3, and the reception electrodes in phase have the same phase. Receive.
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 11B, the reception electrode group 52 includes a reception electrode 55 in which two reception electrodes having the same phase in FIG. 11A are combined into one as λ + 2λ / 3. The receiving elements are arranged at an arrangement pitch and are A, B, and C phase receiving elements. Each receiving electrode 55 is composed of a stripe pattern portion 53 with a spacing λ and a connecting portion 54 that connects them, for example, as in the light receiving element of the first embodiment. Alternatively, as shown in FIG. 11C, the receiving electrodes 55 are arranged at an arrangement pitch of λ + 4λ / 3 to form A, B, and C phase receiving elements. Furthermore, as shown by a broken line in FIG. 11C, the receiving electrodes 55 may be arranged at an arrangement pitch of λ + λ / 3 to form A, B, and C phase receiving elements.
[0032]
In addition, the reception electrode array in FIG. 11A can be rearranged so that two reception electrodes in phase are adjacent to each other as shown in FIG. 12A. In this case, when two reception electrodes having the same phase are combined into one reception electrode 55 including the stripe pattern portion 53 and the connection portion 54, the result is as shown in FIG. 12B. This is the same as FIG. 11B.
Also in this embodiment, when the scale pitch is miniaturized, it is possible to give a margin to the receiving electrode arrangement and to prevent short-circuiting of receiving electrodes of different phases due to dust or the like, thereby improving reliability.
[0033]
As shown in FIG. 11B or 12B, the case where the receiving electrodes 55 are arranged at intervals of 2λ / 3 is compared with the case where the receiving electrodes 55 are arranged at intervals of 4λ / 3 as shown by a solid line in FIG. 11C. Although the configuration of FIG. 11C has a large averaging effect, the area of one set of receiving elements is increased. On the other hand, in FIG. 11B, the receiving element area can be reduced.
In this embodiment, the case where a three-phase displacement signal with a 120 ° phase difference is output has been described. However, a capacitance type that obtains a displacement output of four phases with a 90 ° phase difference or two phases with a 180 ° phase difference. The same applies to the encoder.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a displacement measuring apparatus capable of improving reliability and yield in the case of a fine scale pitch.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a photoelectric encoder to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing another configuration example of a photoelectric encoder to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a scale and a light receiving element according to Embodiment 1 of the present invention.
4A is a diagram showing a structure of the light receiving element of the first embodiment. FIG.
4B is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 4A.
4C is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 4A.
5A is a diagram showing a layout of a light receiving element according to Embodiment 2. FIG.
5B is a diagram showing a layout obtained by modifying the layout of FIG. 5A.
6A is a diagram showing a layout of a light receiving element according to Embodiment 3. FIG.
6B is a diagram showing a layout obtained by modifying the layout of FIG. 6A.
FIG. 7 is a diagram showing a layout of a light receiving element according to a fourth embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a layout of a light receiving element according to a fifth embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a magnetic encoder according to a sixth embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a capacitive encoder according to a seventh embodiment.
FIG. 11A is a diagram showing a configuration of a conventional transmission electrode group.
FIG. 11B is a diagram showing a configuration of the transmission electrode group of the embodiment shown in comparison with FIG. 11A.
FIG. 11C is a diagram showing another configuration of the transmission electrode group.
FIG. 12A is a diagram showing another configuration of a conventional transmission electrode group.
12B is a diagram showing a configuration of a transmission electrode group of the embodiment shown in comparison with FIG. 12A.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Scale, 2 ... Sensor head, 22 ... Light receiving element array, PD1, PD2, PD3, PD4 ... Light receiving element, 31 ... Substrate, 32 ... Stripe pattern part, 33 ... Connection part, 313 ... Wiring, 314 ... Contact hole.

Claims

測定軸に沿ってピッチλのスケール格子が形成されたスケールと、このスケールに対して前記測定軸に沿って相対移動可能に配置されて、前記スケール格子を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受信素子アレイとを有する変位測定装置において、
前記受信素子アレイは、
基板と、
この基板に形成されて、それぞれピッチｎλ（但し、ｎは正の整数）で前記測定軸に沿って配列された複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部をストライプパターン部の中央部分で相互に連結する連結部とを備えて異なる位相の変位信号を出力する複数の受信素子と、
前記連結部の表面を覆い、かつ前記連結部を介して前記受信素子と電気的に接続される配線部と
を有することを特徴とする変位測定装置。A scale in which a scale grating having a pitch λ is formed along the measurement axis, and a plurality of displacement signals having different phases by detecting the scale grating and arranged relative to the scale along the measurement axis. A displacement measuring device having a receiving element array for outputting
The receiving element array is:
A substrate,
A plurality of stripe pattern portions formed on this substrate and arranged along the measurement axis at a pitch nλ (where n is a positive integer) and these stripe pattern portions are mutually connected at the central portion of the stripe pattern portion. a plurality of receiving elements for outputting a displacement signal of a different phase and a connecting portion for connecting to,
A displacement measuring apparatus comprising: a wiring portion that covers a surface of the connecting portion and is electrically connected to the receiving element through the connecting portion .

前記スケール格子は光学格子であり、前記受信素子アレイは複数の受光素子が配列された受光素子アレイである
ことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。The displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein the scale grating is an optical grating, and the receiving element array is a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements are arranged.

前記複数の受光素子は、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／２｝λ（但し、ｎ，Ｍは正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて互いに逆相の変位信号を出力する２個で１セットの受光素子を有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。The plurality of light receiving elements are arranged in the measurement axis direction at an arrangement pitch of {n + (2M−1) / 2} λ (where n and M are positive integers), and output displacement signals having opposite phases to each other. The displacement measuring device according to claim 2, wherein two sets of light receiving elements are provided.

前記複数の受光素子は、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／４｝λ（但し、ｎ，Ｍは正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて９０°ずつ位相の異なる４相の変位信号を出力する４個で１セットの受光素子を有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。The plurality of light receiving elements are arranged in the measurement axis direction at an arrangement pitch of {n + (2M−1) / 4} λ (where n and M are positive integers), and have a four-phase phase difference of 90 ° by 90 °. The displacement measuring device according to claim 2, comprising four sets of light receiving elements that output displacement signals.

前記複数の受光素子は、（ｎ＋Ｎ／３）λ（但し、ｎは正の整数，Ｎは３の倍数を除く正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて１２０°ずつ位相の異なる３相の変位信号を出力する３個で１セットの受光素子を有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。The plurality of light receiving elements are arranged in the direction of the measurement axis at an arrangement pitch of (n + N / 3) λ (where n is a positive integer and N is a positive integer excluding multiples of 3) and have a phase of 120 °. The displacement measuring apparatus according to claim 2, wherein three sets of light receiving elements for outputting different three-phase displacement signals are provided.

前記各受光素子は、複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部の少なくとも一方の端部間を連結する連結部をストライプパターン部の中央部分以外にも有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。Each of the light receiving elements includes a plurality of stripe pattern portions and a connecting portion for connecting at least one end of the stripe pattern portions other than the central portion of the stripe pattern portion. Displacement measuring device.

前記各受光素子は、複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部を複数箇所で連結する連結部をストライプパターン部の中央部分以外にも有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。The displacement measuring device according to claim 2, wherein each of the light receiving elements has a plurality of stripe pattern portions and a connecting portion for connecting the stripe pattern portions at a plurality of locations other than the central portion of the stripe pattern portion. .