JP2002340622A - 光電式エンコーダ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサヘッドの受光部と発光部を一体化する
ことにより、従来よりもセンサヘッドを小型化・薄型化
することのできる光電式エンコーダを提供する。 【解決手段】 光電式エンコーダは、所定の光学ギャッ
プを介して対向配置されて測定軸ｘ方向に互いに相対移
動可能なスケール１０及びセンサヘッド２０により構成
されている。スケール１０は、測定軸ｘ方向に延びるス
ケール基板１１上に、スケール格子１２を所定のピッチ
で形成してなるものである。また、センサヘッド２０
は、センサ基板２１上に、スケール格子１２と対向する
発光素子２２及びフォトダイオード２３を交互に所定ピ
ッチで配列してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、リニアスケール
等に用いられる光電式エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より光電式エンコーダとして、３格
子型のリニアエンコーダが知られている。３格子型のリ
ニアエンコーダは、スケール格子の他に、光源側の第１
のインデックス格子と、受光側の第２のインデックス格
子とを有する。光源からの光は、第１のインデックス格
子で変調されてスケール格子に照射され、スケール格子
からの光は第２のインデックス格子で変調されて受光素
子に受光される。スケール格子が反射型の場合、第１及
び第２のインデックス格子は、スケールに対して同じ側
に配置される。従って、第１及び第２のインデックス格
子を同じ透明基板上に形成し、更にこの透明基板の第１
のインデックス格子上に発光素子を搭載し、第２のイン
デックス格子上に受光素子を搭載してセンサモジュール
を構成することにより、小型のリニアスケールを構成し
た例も知られている（特開２０００−３２１０９６
号）。近年、機器の精密化・小型化が進み、エンコーダ
自体の小型化への需要は高い。これらスケールとセンサ
ヘッドは別部品として製作されており、特にセンサヘッ
ドの大きさは、光電式エンコーダ全体のサイズを決定す
るのに大きく影響する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光電式
エンコーダでは、モジュール化によりセンサヘッドをあ
る程度小型化することはできたが、センサヘッドは、２
つのインデックス格子とは別に、光源と受光素子とを搭
載しなくてはならないため、センサヘッドの小型化にも
限界があり、エンコーダの小型化が難しい。この発明
は、上記事情を考慮してなされたもので、センサヘッド
の受光部と発光部を一体化することにより、従来よりも
センサヘッドを小型化・薄型化することのできる光電式
エンコーダを提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光電式エン
コーダは、対向配置されて測定軸方向に互いに相対移動
可能なスケール及びセンサヘッドを備え、前記スケール
は、前記センサと対向する面側に前記測定軸方向に沿っ
て反射型のスケール格子が形成されたものであり、前記
センサヘッドは、センサ基板と、このセンサ基板上に搭
載されて前記スケール格子に光を照射すると共に、所定
ピッチで配列されてそれ自身が第１のインデックス格子
を構成する複数の発光素子と、前記センサ基板上に搭載
されて前記複数の発光素子からスケール格子に照射され
前記スケール格子から反射された光を受光すると共に、
所定のピッチで配列されてそれ自身が第２のインデック
ス格子を構成する複数の受光素子とを備えてなることを
特徴とする。

【０００５】本発明によれば、センサヘッドがセンサ基
板に複数の発光素子と複数の受光素子とをそれぞれ所定
のピッチで配列させて、これら発光素子及び受光素子自
体がそれぞれ第１及び第２のインデックス格子を形成す
るようにしているので、従来のように、インデックス格
子上に発光素子や受光素子を搭載する形式のものと比
べ、センサヘッドを極めて薄く、且つ小型にすることが
でき、光電式エンコーダ全体の小型化、薄型化を図るこ
とができる。

【０００６】特に、前記複数の発光素子及び受光素子
が、センサ基板の同一面上に搭載されていると、発光素
子及び受光素子を前記センサ基板に対する一連の積層処
理によって製造することができ、製造コストの低減を図
ることができる。

【０００７】また、発光素子が、センサ基板上の複数の
受光素子の間にそれぞれ配置されていると、両者を別々
の領域に形成する場合に比べ、発光素子と受光素子とを
共通の領域に効率良く配置することができるので、更に
センサヘッドを小型化することができる。

【０００８】なお、センサ基板としては、例えばガラス
基板のような透明基板を用いることができ、この場合、
発光素子及び受光素子は、透明基板に透明電極を介して
搭載されることが望ましい。発光素子及び受光素子の両
方を透明基板のスケールと対向しない面側に透明電極を
介して搭載した場合には、透明電極及び透明基板を介し
てスケールのスケール格子に光を照射及び受光すること
になる。この場合、透明基板のスケールと対向する面側
には素子が形成されていないので、センサヘッドとスケ
ールとの光学ギャップを正確に設定でき、またセンサの
保護にもなるという利点がある。なお、センサ損傷のお
それがないときは、発光素子及び受光素子の両方をスケ
ールと対向する面側に搭載しても良い。この場合には、
スケールからの反射光のうち不要なものは透明基板を通
過して受光素子に受光されないよようにすることができ
る。発光素子としては、例えば下地の材料を選ばないエ
レクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いることがで
きる。

【０００９】このような構成の場合、センサヘッドは、
例えば透明基板上に透明電極を形成する工程と、前記透
明電極上に前記複数の受光素子を所定ピッチで配列形成
する工程と、前記複数の受光素子のそれぞれを覆う保護
層を形成する工程と、前記透明電極上に前記複数の発光
素子を所定ピッチで配列形成する工程とにより製造する
ことができる。

【００１０】また、センサ基板として、半導体基板を用
いることもできる。この場合、半導体基板のスケールと
対向する面側に直接、発光素子及び受光素子を作り込む
ことができる。発光素子としては、発光ダイオード、Ｅ
Ｌ素子等を用いることができる。

【００１１】前記センサ基板として、可撓性材料を用い
ることもできる。このようにフレキシブルな材料を基板
として使用することにより、センサヘッドの取付けの制
約を少なくすることができると共に、外力による破損の
危険性の少ないセンサヘッドを実現できる。

【００１２】前記発光素子は青色光を発光するものであ
ることが望ましい。波長が短い青色光を発光する発光素
子を使用することにより、格子のピッチをより細かくす
ることが可能となり、応答速度が速く、高精度なセンサ
ヘッドを備えた光電式エンコーダを実現することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係る光電式エ
ンコーダの概略構成を示す斜視図である。この光電式エ
ンコーダは、所定の光学ギャップを介して対向配置され
て測定軸ｘ方向に互いに相対移動可能なスケール１０及
びセンサヘッド２０により構成されている。スケール１
０は、測定軸ｘ方向に延びるスケール基板１１上に、ス
ケール格子１２を所定のピッチで形成してなるものであ
る。また、センサヘッド２０は、センサ基板２１上に、
スケール格子１２と対向する発光素子２２及びフォトダ
イオード２３を交互に所定ピッチで配列してなるもので
ある。なお、フォトダイオード２３は、実際には、互い
に９０°位相をずらせた位置関係、及びそれぞれの逆位
相（１８０°位相差）でＡ相受光素子及びＢ相受光素子
と、／Ａ相受光素子（但し“／”は否定を示す）及び／
Ｂ相受光素子とを構成している。

【００１４】図２は、図１のＡ−Ａ’拡大断面図であ
る。センサ基板２１は、この例では、ガラス基板により
形成されている透明基板である。センサ基板２１のスケ
ール１０と対向しない面側には、共通下部電極となる透
明導電膜２６が形成されている。この透明導電膜２６上
に、ｐ型アモルファス半導体層２３ａ，ｉ型アモルファ
ス半導体層２３ｂ，ｎ型アモルファス半導体層２３ｃを
順次堆積し、これらの積層膜をパターンニングすること
により互いに分離された複数のフォトダイオード２３が
測定軸に沿って所定ピッチで配列形成されている。各フ
ォトダイオード２３の上側には、カソード側の電極とな
るＡｌ等の導体からなる配線層２７が形成されている。
配線層２７が形成されたフォトダイオード２３の上及び
側面はＳｉＯ２の絶縁材料からなる保護膜２８で覆われ
ている。配線層２７は保護膜２８に開けられた図示しな
いコンタクトホールを介して同相グループのフォトダイ
オード２３同士を互いに接続する。一方、複数の発光素
子２２は、スケール１０の方向へ投光するように隣接す
る各フォトダイオード２３の間に保護膜２８を介してそ
れぞれ配置されている。これら複数の発光素子２２及び
保護膜２８の上側にはＡｌ等の導体からなる配線層２９
が形成されている。具体的に、発光素子２２としては例
えば比較的発光強度の強い有機ＥＬを用いることがで
き、特に青色光を発するものを使用することが望まし
い。

【００１５】透明導電膜２６としては、例えばＩＴＯ，
ＳｎＯ２，ＺｎＯ等を用いることができる。アモルファ
ス半導体としてはＳｉがある。更にガラス上に作製でき
る多結晶材料としてＣｄＳ／ＣｄＴｅ等が受光素子とし
て利用できる。また、フォトダイオードの構造は、ｐｉ
ｎ構造のほか、ｐｎ構造であっても良い。

【００１６】本形態に係る光電式エンコーダの場合、発
光素子２２が格子状に配列されているため、この発光素
子２２から照射される光は第1格子としての第1のインデ
ックス格子を通過した時と同様な状態となっている。発
光素子２２からの光はスケール１０方向に照射され、ス
ケール１０に形成されている第２格子としてのスケール
格子１２により反射される。このスケール格子１２から
反射してセンサ基板２１を透過してくる光を同じく自身
が格子状に配列形成されている第３格子として第２のイ
ンデックス格子の役割も持つフォトダイオード２３によ
り受光し、センサヘッド２０とスケール１０との測定軸
ｘ方向の相対変位を検出する。このようにして、３格子
型の光電式エンコーダとして機能する。

【００１７】このように、本形態に係る光電式エンコー
ダによれば、センサヘッド２０の受光部と発光部を同一
基板に配置することによって一体化しているため、従来
よりもセンサヘッドを小型化・薄型化することができ
る。また、受光素子及び発光素子がセンサ基板のスケー
ルと対向しない面側に配置されているため、センサ基板
がこれらの素子を塵や衝撃等から保護するカバーの役割
を果たし、エンコーダの測定精度の信頼性向上を図るこ
とができる。

【００１８】また、本形態では絶縁体であるガラス基板
をセンサ基板として採用しているため、クロストーク，
リーク等の可能性を低減することができる。更に、発光
素子が直接透明導電膜に配置されているため、電気的な
接続不良等が発生しにくいという効果を奏する。

【００１９】青色光は赤外光や赤色光等に比べ、波長が
短いため光の分解能が高いという特性をもつ。よって、
青色光を発光する発光素子を使用することにより、格子
のピッチをより微細にすることが可能となり、応答速度
が速く、高精度な光電式エンコーダを実現することがで
きる。なお、本形態においては、発光素子として有機Ｅ
Ｌを採用しているが、この他発光素子としては、有機Ｅ
Ｌと同様に下地を選ばないで作製できる無機ＥＬ等を使
用しても良い。

【００２０】図３は、この発明に係る光電式エンコーダ
の第２の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図で
ある。本形態は上述の第１の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第１の実施の
形態と異なる点は、センサヘッドにおける発光素子２２
の配線方法と保護膜にある。すなわち、本形態における
センサヘッド４０では、まず、上述の第1の実施の形態
と同様にセンサ基板２１上に透明導電膜２６、フォトダ
イオード２３及び配線層２７を形成した後、この上から
ＳｉＯ２やＳｉＮ等の透明絶縁材料からなる保護膜４１
が形成される。更に保護膜としてＳＯＧ（スピンオング
ラス材料）を用いれば、表面を平坦に形成することが可
能である。その後、隣接する各フォトダイオード２３の
間の保護膜４１に透明導電膜２６まで貫通するコンタク
トホールを形成し、このコンタクトホールにＩＴＯ，Ｓ
ｎＯ２，ＺｎＯ等からなる透明導電膜配線４２を形成す
る。続いて、複数の発光素子２２が、隣接する各フォト
ダイオード２３の間の透明導電膜配線４２上にそれぞれ
配置される。このような配置とすることによって、発光
素子２２と透明導電膜２６とがコンタクトホールを貫通
している透明導電膜配線４２を介して電気的に接続され
る。最後に、上方から同じくＡｌ等の導体からなる配線
層２９を発光素子２２との導通が確保できるようにパタ
ーンニングすることで完成する。

【００２１】図４は、この発明に係る光電式エンコーダ
の第３の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図で
ある。本形態は上述の第２の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第２の実施の
形態と異なる点は、発光素子２２の配線部分にある。す
なわち、本形態におけるセンサヘッド５０では、発光素
子２２の下側の透明導電膜配線４２が透明導電膜２６以
外の部分と電気的に接続され、発光素子２２への電力供
給を行う。

【００２２】図５は、この発明に係る光電式エンコーダ
の第４の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図で
ある。本形態は上述の第３の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第３の実施の
形態と異なる点は、センサヘッドにおける配線にある。
すなわち、本形態におけるセンサヘッド６０では、保護
膜４１の間にＡｌ等の導体からなる配線層６１を形成
し、発光素子２２と配線層６１とがコンタクトホールを
貫通している透明導電膜配線８’を介して電気的に接続
される。このとき、配線層６１は透明導電膜の他、光を
通さないＡｌ等の導体によって形成することができる。
このため、発光素子２２と配線層６１とを図の紙面に直
交する方向にずらす等して、発光素子２２は、配線層６
１の配線パターンを避けて、スケール格子１２の方向へ
投光可能なように配置される。

【００２３】図６は、この発明に係る光電式エンコーダ
の第５の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図で
ある。本形態は上述の第1の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第１の実施の
形態と異なる点は、センサヘッドにおける発光素子と受
光素子の配置の位置関係及び保護膜にある。すなわち、
本形態におけるセンサヘッド７０では、まず、センサ基
板２１のスケール１０と対向しない面側に、共通下部電
極となる透明導電膜２６が形成される。この透明導電膜
２６上に、複数の発光素子２２が測定軸に沿って所定ピ
ッチで配列される。次に、これら複数の発光素子２２の
上にＡｌ等の導体からなる配線層８を形成する。続い
て、この上からＳｉＯ２やＳｉＮ，ＳＯＧ等の透明絶縁
材料からなる保護膜５が形成される。

【００２４】その後、この保護膜５の上に共通下部電極
となる透明導電膜７１が形成される。この透明導電膜７
１上には、ｐ型アモルファス半導体層２３ａ，ｉ型アモ
ルファス半導体層２３ｂ，ｎ型アモルファス半導体層２
３ｃ及び配線層２７を順次堆積し、これらの積層膜をパ
ターンニングすることにより互いに分離された複数のフ
ォトダイオード２３が、測定軸に沿って所定ピッチで配
列形成される。この時、各フォトダイオード２３は、そ
れぞれ複数の発光素子２２の間に位置するように配列形
成される。そして、各フォトダイオード２３の上から再
びＳｉＯ２等の絶縁材料からなる保護膜７２を形成する
ことにより、センサヘッド７０が完成する。本形態によ
れば、上述の第1の実施の形態による効果に加え、発光
素子とフォトダイオードとを別々の階層に配列形成して
いるため、フォトダイオードと発光素子との間での干渉
がなく，クロストーク等の問題も発生しにくい。すなわ
ち、受光素子，発光素子によって形成している光学格子
の配列ピッチを微細化しやすく、より高精度な光電式エ
ンコーダを容易に実現できるという効果を奏する。

【００２５】図７は、この発明に係る光電式エンコーダ
の第６の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図で
ある。本形態は上述の第１の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第１の実施の
形態と異なる点は、センサヘッドにおける発光素子の配
置にある。すなわち、本形態におけるセンサヘッド８０
は、まず、上述の第１の実施の形態と同様にセンサ基板
２１上に透明導電膜２６、複数のフォトダイオード２３
及びカソード側の電極となるＡｌ等の導体からなる配線
層２７が順次形成される。続いて、センサ基板２１の下
面側すなわち図示しないスケールと対向する面側にも同
様に透明導電膜８１を形成する。その後、この透明導電
膜８１の下面に図示しないスケールの方向へ投光するよ
うに発光素子２２を配置する。この時、複数の発光素子
２２は、それぞれ複数のフォトダイオード２３の間に位
置するように配列形成される。最後に、発光素子２２の
下面にＩＴＯ，ＳｎＯ２，ＺｎＯ等からなる透明導電膜
配線４２を形成することにより、センサヘッド８０が完
成する。

【００２６】本形態にかかる光電式エンコーダによれ
ば、基板のスケールと対向する面側に発光素子を配置し
ているため、発光素子とフォトダイオードとの間での干
渉がなく，クロストーク等の問題も発生しにくい。すな
わち、受光素子，発光素子によって形成している光学格
子の配列ピッチを微細化しやすい。よって、上述の第1
の実施の形態の効果に加え、より高精度な光電式エンコ
ーダを容易に実現できるという効果を奏する。

【００２７】図８は、この発明に係る光電式エンコーダ
の第７の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図で
ある。本形態は上述の第１の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダのセンサヘッド９０は、
まず、上述の第１の実施の形態と同様にセンサ基板２１
上に透明導電膜２６及び複数のフォトダイオード２３を
形成した後、これらフォトダイオード２３の上側にカソ
ード側の電極となるＡｌ等の導体からなる配線層２７が
形成される。続いて、複数の発光素子２２を、センサ基
板２１のフォトダイオード２３が配置されている面側す
なわち図示しないスケールと対向しない面側の各フォト
ダイオード２３が形成されていない領域に測定軸に沿っ
て所定ピッチでそれぞれ配置する。

【００２８】最後に、複数の発光素子２２の上側にＡｌ
等の導体からなる配線層２９を形成することにより、斜
め入射式のセンサヘッド９０が完成する。

【００２９】図９及び図１０は、本形態にかかる光電式
エンコーダの平面図である。図９は、発光素子２２とフ
ォトダイオード２３とをスケール１０の長手方向に配列
させた例、図１０は、発光素子２２とフォトダイオード
２３とをスケール１０の短手方向に配列させた例をそれ
ぞれ示している。

【００３０】本形態にかかる光電式エンコーダによれ
ば、基板のスケールと対向しない面側の受光素子が形成
されていない領域に発光素子を配置しているため、発光
素子とフォトダイオードとの間での干渉，クロストーク
等の問題が発生しにくい。すなわち、受光素子，発光素
子によって形成している光学格子の配列ピッチを微細化
しやすい。よって、上述の第1の実施の形態の効果に加
え、より高精度な光電式エンコーダを容易に実現できる
という効果を奏する。

【００３１】また、上述した各実施の形態において、必
要に応じて、センサ基板としてフレキシブル樹脂基板等
の可撓性材料を採用することもできる。可撓性材料を基
板として使用することにより、センサヘッドの取付け位
置等の制約を少なくすることができると共に、外力によ
る破損の危険性の少ないセンサヘッドを実現できる。も
ちろん、基板としてＳｉ基板等を採用することにより、
フォトダイオードや発光素子としてのＬＥＤ等を直接Ｓ
ｉ基板上に作りこむことができ、さらに薄型化を図るこ
ともできる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、セン
サヘッドがセンサ基板に複数の発光素子と複数の受光素
子とをそれぞれ所定のピッチで配列させて、これら発光
素子及び受光素子自体がそれぞれ第１及び第２のインデ
ックス格子を形成するようにしているので、従来のよう
に、インデックス格子上に発光素子や受光素子を搭載す
る形式のものと比べ、センサヘッドを極めて薄く、且つ
小型にすることができ、光電式エンコーダ全体の小型
化、薄型化を図ることのできる光電式エンコーダを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る光電式エンコーダの概略構成を
示す斜視図である。

【図２】 図１のＡ−Ａ’拡大断面図である。

【図３】 この発明に係る光電式エンコーダの第２の実
施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。

【図４】 この発明に係る光電式エンコーダの第３の実
施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。

【図５】 この発明に係る光電式エンコーダの第４の実
施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。

【図６】 この発明に係る光電式エンコーダの第５の実
施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。

【図７】 この発明に係る光電式エンコーダの第６の実
施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。

【図８】 この発明に係る光電式エンコーダの第７の実
施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。

【図９】 同センサヘッドの平面図である。

【図１０】 同センサヘッドの他の構成例の平面図であ
る。

【符号の説明】

１０…スケール、１１…スケール基板、１２…スケール
格子、２０…センサヘッド、２２…センサ基板、２２…
発光素子、２３…フォトダイオード、２６…透明導電
膜、２７，２９…配線層、３０，５０，６０，７０，８
０，９０…センサヘッド。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配置されて測定軸方向に互いに相対
   移動可能なスケール及びセンサヘッドを備え、 前記スケールは、前記センサと対向する面側に前記測定
   軸方向に沿って反射型のスケール格子が形成されたもの
   であり、 前記センサヘッドは、 センサ基板と、 このセンサ基板上に搭載されて前記スケール格子に光を
   照射すると共に、所定ピッチで配列されてそれ自身が第
   １のインデックス格子を構成する複数の発光素子と、 前記センサ基板上に搭載されて前記複数の発光素子から
   スケール格子に照射され前記スケール格子から反射され
   た光を受光すると共に、所定のピッチで配列されてそれ
   自身が第２のインデックス格子を構成する複数の受光素
   子とを備えてなることを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記発光素子及び受光素子は、前記セン
   サ基板の同一面上に搭載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。
3. 【請求項３】 前記発光素子は、前記センサ基板上の前
   記複数の受光素子の間にそれぞれ配置されていることを
   特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。
4. 【請求項４】 前記センサ基板は、透明基板であり、 前記発光素子及び受光素子は、前記透明基板に透明電極
   を介して搭載されていることを特徴とする請求項１〜３
   のいずれか１項記載の光電式エンコーダ。
5. 【請求項５】 前記発光素子は、エレクトロルミネッセ
   ンス素子であることを特徴とする請求項４記載の光電式
   エンコーダ。
6. 【請求項６】 前記センサ基板は、半導体基板であり、 前記発光素子及び受光素子は、前記半導体基板の前記ス
   ケールと対向する面側に形成されていることを特徴とす
   る請求項１〜３のいずれか１項記載の光電式エンコー
   ダ。
7. 【請求項７】 前記発光素子は、発光ダイオードである
   ことを特徴とする請求項６記載の光電式エンコーダ。