JP2003161646A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 歩留まりを向上させて製造コストを低減する
と共に、装置の小型化をも実現する。 【解決手段】 所定の基準格子１２が形成された反射型
スケール１０に向けて、面発光光源２０から光束が照射
される。面発光光源２０と反射型スケール１０との間の
位置には、面発光光源２０と近接させて受光モジュール
３０が配置される。受光モジュール３０は、受光素子ア
レイ３０Ａ，３０Ｂを有し、この受光素子アレイ３０
Ａ，３０Ｂは、面発光光源３０からの光束を部分的に遮
光する発光側格子としても作用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電式エンコーダ
に関し、さらに詳しくは光電式エンコーダの受発光部の
構成の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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。

【０００３】こうした要請に応えるものとして、発光素
子と受光素子とを同一の集積回路基板上にモノリシック
に形成した光電エンコーダが知られている。しかし、こ
うしたモノリシック形成による場合には、製品全体の歩
留まりが発光素子の歩留まりと受光素子の歩留まりとの
両方に影響され、歩留まり率が低下し、その結果製品が
高価格になるという問題がある。また、モノリシック形
成の場合には、受光・発光素子がスケールに対し剥き出
しの状態で向かい合うため、万一接触すると受発光素子
が破損する虞がある。

【０００４】一方、発光素子と受光素子とを別々に製造
し、ハイブリッドに実装する方法もあるが、この場合に
は、発光素子、受光素子の個々の保持部材を用意しなけ
ればならず、これが小型化の障害になるという問題があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、この点に鑑
み、歩留まりを出来るだけ維持、向上させながら、なお
装置全体の大きさを小さく保つことの出来る光電式エン
コーダを提供することを目的とする。また、この接触に
より、受光・発光素子が破損することがない光電式エン
コーダを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題達成のため、
本発明に係る光電式エンコーダは、所定の基準格子が形
成された反射型スケールと、前記スケール上に照射する
ための光束を発する面状発光面を備えた面発光光源と、
前記面発光光源と前記反射型スケールとの間の位置に前
記面発光光源と近接させて配置される板状の光透過部材
と、該光透過部材の表面又は内部に形成され前記面発光
光源からの光束を部分的に遮光する発光側格子と、前記
光透過型部材の内部に所定の間隔をあけて形成される複
数の受光素子により構成され前記面発光光源からの光束
を前記発光側格子及び前記基準格子を介して受光する受
光素子アレイとを備えたことを特徴とする。

【０００７】本発明において、前記発光側格子は、該複
数の受光素子の前記面発光光源側に設けられ前記複数の
受光素子に駆動電流を供給する電極膜とすることができ
る。また、前記光透過部材上の前記面発光光源と対向す
る位置に薄膜形成技術により形成され、前記面発光光源
からの光束を偏向させる偏向光学部材を備えることもで
きる。偏向光学部材としては、例えばフレネルレンズが
好適である。また、前記受光素子アレイは、その検出信
号の位相が異なる複数の受光素子群に分離されるととも
に、この受光素子群と前記発光側格子とが前記反射型ス
ケールの測定軸方向に交互に配置されているようにする
ことができる。この場合、前記発光側格子は、前記受光
素子アレイの配線用の金属膜と同一の工程で同一の材料
により形成されるのが好ましい。また、前記発光側格子
は、前記受光素子と同様の構造を備えたダミー素子と、
このダミー素子上に形成された金属膜とにより構成され
たものとすることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を、図面
に基づいて説明する。 ［第一の実施の形態］図１は本発明の第一の実施の形態
による反射型の光電式エンコーダの構成を示す。この実
施の形態の光電式エンコーダは、反射型スケール１０
と、この反射型スケール１０に光を照射するための面発
光光源２０と、スケール１０からの反射光を変調して取
り出して受光する受光モジュール３０とを有する。

【０００９】反射型スケール１０は、スケール基板１１
に、紙面と垂直な方向（Ｙ軸方向）を長手方向とする基
準格子１２を所定のピッチＰ１で形成したものである。
面発光光源２０としては、面発光ダイオードが好適であ
り、その他、面発光レーザダイオード、有機又は無機Ｅ
Ｌ素子等が採用できる。受光モジュール３０は、スケー
ル１０に対して所定のギャップをもって対向配置され
て、光源２０と共にスケール１に対して図の矢印ｘ方向
に相対移動可能とされる。

【００１０】受光モジュール３０は、図１に示すよう
に、複数の受光素子ＰＤを所定の間隔を空けてＸ軸方向
に並べて形成した受光素子アレイ３０Ａ,３０Ｂとされ
ている。受光素子アレイ３０Ａ、３０Ｂは、その検出信
号の位相が９０度異なるものとなるような配置とされて
おり、これにより、変位量のみならず変位方向をも検出
可能にされている。この受光素子ＰＤは、例えば図２に
示すように、ＩＴＯ，ＳｎＯ２，ＺｎＯ等からなる共通
下部電極としての透明電極３２、Ｐ型半導体層３４、ｉ
型半導体層３５、ｎ型半導体層３６、上部電極としての
金属膜３７からなるｐｉｎフォトダイオードとすること
ができるが、ＰＮ構造であってもよい。各受光素子ＰＤ
は、紙面に垂直な方向（Ｙ軸方向）を長手方向とする短
冊形状を所定間隔で並べた形にされている。これらの受
光素子ＰＤは、透明電極膜３２、Ｐ型半導体層３４、ｉ
型半導体層３５、ｎ型半導体層３６、金属膜３７を順次
透明基板３１の全体に堆積させた後、レジスト、露光・
現像、エッチングを行なうことにより形成することがで
きる。又は、ガラス基板上に複数の孔部を形成し、この
孔部に受光素子ＰＤを埋め込むようにしてもよい。ま
た、受光素子アレイ３０Ａ、３０Ｂは透明な材料からな
る保護膜３３により覆われる。

【００１１】各受光素子ＰＤに光束が入射されると、金
属膜３７には検出信号が現れ、これがフレキシブルプリ
ント基板ＦＰＢにより図示しない内挿回路、信号処理回
路に伝達されてスケール１０の相対変位量、変位方向が
検出される。フレキシブルプリント基板ＦＲＢは異方性
導電テープにより受光モジュール３０と電気的に接続さ
れる。なお、フレキシブルプリント基板ＦＲＢを使用せ
ず、図３に示すように、内挿回路や信号処理回路を搭載
した回路基板４０を、はんだバンプ又は金バンプ５０に
より受光モジュール３０と接続してもよい。又は、図４
に示すように、ワイヤボンディング６０により回路基板
４０と受光モジュール３０とを接続してもよい。

【００１２】保護膜３３は透明な材料で形成される一
方、金属膜３７は不透明な材料で形成されているので、
保護膜３３と金属膜３７とは、面発光光源２０からの光
束を部分的に透過させる発光側格子として機能する。

【００１３】この発光側格子は、各格子窓が二次光源と
なって、面発光光源２０からの光束を変調させつつ透過
させる。この透過した光束は、透明電極３２、透明基板
３１を透過し、基準格子１２を備えるスケール１０で反
射される。反射された光束は透明基板３１、透明電極３
２を透過して受光素子ＰＤに受光される。発光側格子を
有する受光モジュール３０の移動に伴って、スケール１
０からの反射像の明暗のパターンが変化するので、この
変化のしかたを調べることにより、スケール１０の相対
変位量及び方向が検出できる。

【００１４】このように、本実施の形態では、面発光光
源２０と、受光素子アレイ３０とを別々の工程にて製造
し、それぞれの合格品のみを組み立てるようにすること
ができるので、発光部と受光部をモノリシック的に製造
する場合に比べて歩留まりが向上し、製造コストを低減
することができ、かつ、面発光ダイオードを面状の受光
モジュールに近接させて配置させても破損の心配が無い
ので、装置の小型化も実現できる。また、面発光光源２
０、受光モジュール３０は対向する面が平面であるの
で、異方導電性テープ、はんだバンプなどの手法により
簡単に一体化することができ、面発光光源について別個
の保持機構を必要としない。上記実施の形態では、Ａ，
Ｂ相の２相正弦波信号を得るようにしているが、Ａ，Ｂ
相に加えてこれらを１８０度反転させた／Ａ、／Ｂ相信
号を生成して4相正弦波信号としてもよい。また、変位
方向を知る必要がない場合には、受光素子アレイ３０
Ａ，３０Ｂのいずれか一方を廃止して単相正弦波信号を
得るようにしても良い。

【００１５】［第二の実施の形態］次に、本発明の第二
の実施の形態を、図５乃至７を用いて説明する。第一の
実施の形態では、受光素子アレイ３０Ａ，３０Ｂが発光
側格子を兼用していたが、本実施の形態では、図５に示
すように、発光側格子７０を受光素子アレイ３０Ａ（３
０Ｂ）の側方に別途設けている。すなわち、第一の実施
の形態では、受光素子アレイ３０Ａ（３０Ｂ）が発光側
格子を兼用しているが、本実施の形態では兼用していな
い。

【００１６】また、図５に示すように、面発光光源２０
と受光モジュール３０Ａ（３０Ｂ）との間に光束を偏向
させるためのフレネルレンズＦＬを配置し、これによ
り、側方に位置する受光素子アレイ３０Ａ（又は３０
Ｂ）に基準格子１２で反射した光束が入射されるように
してもよい。

【００１７】図６は受光モジュール３０の断面構造を示
している。透明基板３１の上には、受光素子アレイ３０
Ａ（３０Ｂ）のｐ側共通電極となるＩＴＯ，ＳｎＯ２，
ＺｎＯ等の透明電極３２が形成される。この透明電極３
２上に、ｐ型半導体層３４，ｉ型半導体層３５，ｎ型半
導体層３６が積層されて、ｐｉｎ接合の光電変換領域が
形成されたフォトダイオードＰＤが形成されている。こ
のフォトダイオードＰＤは、透明な材料からなる保護膜
３３で覆われる。また、各フォトダイオードＰＤのｎ型
層３６には金属電極３７が形成されている。複数本のフ
ォトダイオードＰＤの金属電極３７を共通接続するよう
に、出力信号線となる金属配線３８が形成されている。

【００１８】透明基板３１の発光側格子７０の領域に
は、図６に示すように受光素子アレイ３０と同様のフォ
トダイオード構造が作られている。これらのフォトダイ
オードはダミー素子である。これらのダミーのフォトダ
イオードの金属電極３７が、発光側格子７０の不透過部
としてパターニングされている。発光側格子７０の格子
ピッチは、スケール１０のスケール格子ピッチＰ１と同
じ（或いはより一般的にはＰ１の整数倍）とする。な
お、図６では発光側格子７０としてダミーのフォトダイ
オードに金属電極３７を形成したものを使用している
が、図７に示すように、ダミーのフォトダイオードを形
成させず、保護膜３３上に直接金属膜３７´を形成させ
てもよい。このとき、金属膜３７´は、金属配線３８と
同一の工程により形成するようにするのが好ましい。

【００１９】本実施の形態においても、面発光光源２０
と受光素子アレイ３０とは別々の工程で製造され、それ
ぞれの合格品のみを組み立てるようにすることができる
ので、発光部と受光部をモノリシック的に製造する場合
に比べて歩留まりが向上し、製造コストを低減すること
ができ、かつ、面発光ダイオードを面状の受光モジュー
ルに近接させて配置させても破損の心配がないので、装
置の小型化も実現できる。また、上記実施の形態でも、
Ａ，Ｂ相の２相正弦波信号を得るようにしているが、
Ａ，Ｂ相に加えてこれらを１８０度反転させた／Ａ、／
Ｂ相信号を生成して4相正弦波信号としてもよい。ま
た、変位方向を知る必要がない場合には、受光素子アレ
イ３０Ａ，３０Ｂのいずれか一方を廃止して単相正弦波
信号を得るようにしても良い。

【００２０】［第三の実施の形態］次に、本発明の第３
の実施の形態を、図８乃至１１に基づいて説明する。

【００２１】図８及び９に示すように、受光モジュール
３０は、透明基板３１のスケール１０と対向する面とは
反対側の面に形成された複数の受光素子群４５（４５
ａ，４５ｂ，４５ａｂ，４５ｂｂ）と、各受光素子群４
５の間に形成された、照射光を変調する発光側格子とし
てのインデックススケール７０´とを有する。受光素子
群４５とインデックススケール７０´とが、スケール１
の測定軸ｘ方向に交互に配置されている点が、前記の実
施の形態とは異なる。面発光光源２０は、この様に受光
モジュール３０上に分散的に配置されたインデックスス
ケール７０´に対して略垂直に入射する照射光を出すも
のとする。複数の受光素子群４５は、９０°ずつ位相が
ずれたＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相の変位信号を出力するもの
であり、各受光素子群４５はそれぞれ同相の複数本のフ
ォトダイオードＰＤを含んで構成されている。

【００２２】なお実際の受光モジュール３０では、複数
の受光素子群４５とインデックススケール７０´は、図
７に示すように、Ａ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相を１セットとし
て、複数セット配列され、各セットの同相出力信号線は
共通接続される。これにより、信号強度の保証とＳ／Ｎ
向上が図られる。

【００２３】図１０は、受光モジュール３０の平面図
で、図１１は図１０のＡ−Ａ´断面図である。透明基板
３１の上には、各受光素子群４５のｐ側共通電極となる
ＩＴＯ，ＳｎＯ２，ＺｎＯ等の透明電極３２が形成され
る。この透明電極３２上に、ｐ型半導体層３４，ｉ型半
導体層３５，ｎ型半導体層３６が積層されて、ｐｉｎ接
合の光電変換領域が形成されたフォトダイオードＰＤが
形成されている。このフォトダイオードＰＤは、透明な
材料からなる保護膜３３で覆われる。また、各フォトダ
イオードＰＤのｎ型層３６には金属電極３７が形成され
ている。各受光素子群４５の中の複数本のフォトダイオ
ードＰＤの金属電極３７を共通接続するように、出力信
号線となる金属配線３８が形成されている。

【００２４】透明基板３１のインデックススケール７０
´の領域には、図１１に示すように受光素子群４５の領
域と同様のフォトダイオード構造が作られている。これ
らのフォトダイオードはダミー素子である。これらのダ
ミーのフォトダイオードの金属電極３７が、インデック
ススケール７０´の不透過部としてパターニングされて
いる。すなわち、本実施の形態でも、第２の実施の形態
と同様、受光素子アレイ３０Ａ（３０Ｂ）が発光側格子
を兼用していない。

【００２５】インデックススケール７０´は、図１０に
示すように、受光素子群４５に挟まれる形で分散的に形
成される。インデックススケール７０´の格子ピッチ
は、スケール１０のスケール格子ピッチＰ１と同じ（或
いはより一般的にはＰ１の整数倍）とし、受光素子群４
５を間に挟んで分散されるインデックススケール７０´
の配列ピッチＰ２は、Ｐ２＝ｎ・Ｐ１（ｎは正の整数）
とする。また受光素子群４５に含まれる複数本のフォト
ダイオードＰＤは同相であるから、ピッチがＰ１（或い
はより一般的にはＰ１の整数倍）とする。受光素子群４
５の配列ピッチＰ３は、Ｐ３＝（ｍ＋１／４）Ｐ１（ｍ
は正の整数）としている。これにより、各受光素子群５
から、９０°ずつ位相がずれたＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相の
変位信号が得られることになる。

【００２６】なお、受光素子群４５の配列ピッチＰ３
は、４相出力を得るためには、より一般的には、Ｐ３＝
（ｍ＋Ｍ／４）Ｐ１（ｍは正の整数，Ｍは奇数）とすれ
ばよい。例えば、Ｍ＝３とすれば、受光素子群５から２
７０°ずつ位相がずれたＡ，ＢＢ，ＡＢ，Ｂ相の順で変
位信号が得られる。また、１２０°ずつ位相がずれた３
相出力を得るためには、受光素子群４５の配列ピッチＰ
３は、Ｐ３＝（ｍ＋１／３）Ｐ１（ｍは正の整数）とす
ればよい。

【００２７】この様に、この第３の実施の形態では、受
光モジュール３０には、受光素子群４５とインデックス
スケール７０´とが領域が重ならない状態で交互に配列
される。このため、上述のように受光素子群４５に用い
られる金属電極３７の材料膜をそのままインデックスス
ケール７０´に利用することができる。なお、この第３
の実施の形態では、インデックススケール７０´として
ダミーのフォトダイオードに金属電極３７を形成したも
のを使用しているが、図１２に示すように、ダミーのフ
ォトダイオードを形成させず、保護膜３３上に直接金属
膜３７´を形成させてもよい。このとき、金属膜３７´
は、金属配線３８と同一の工程により形成するようにす
るのが好ましい。

【００２８】［変形例］上記第1乃至第3の実施の形態で
はスケール１０として１次元スケール、１次元受光素子
アレイを使用しているが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、２次元スケール、２次元受光素子アレイと
してもよい。また、上記実施の形態において、半導体層
３４、３５、３６はアモルファスシリコンとするのが好
適であるが、応答性の向上させるためポリシリコンを用
いることも可能である。その他ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ等も
用いることができる。また上記実施の形態では、半導体
層３４、３５、３６をこの順で透明電極３２上に積層さ
せていたが、この順を入れ替えて、半導体層３６，３
５，３４の順で透明電極３２上に積層させるようにして
もよい。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る光電式
エンコーダは、面発光光源と受光素子アレイとは別々の
工程で製造され、それぞれの合格品のみを組み立てるよ
うにすることができるので、発光部と受光部をモノリシ
ック的に製造する場合に比べて歩留まりが向上し、製造
コストを低減することができ、かつ、面発光光源を面状
の光透過部材に近接させて配置させても破損の心配が無
いので、装置の小型化も実現できる。また、受発光部の
保持機構を簡単化できるので、生産効率を高くすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の実施の形態に係る光電式エン
コーダの構成を示している。

【図２】 第一の実施の形態に使用される受光モジュー
ル３０の構造を示している。

【図３】 第一の実施の形態に使用される受光モジュー
ル３０と回路基板５０の接続方法の一方法を示してい
る。

【図４】 第一の実施の形態に使用される受光モジュー
ル３０と回路基板５０の接続方法の他の方法を示してい
る。

【図５】 本発明の第二の実施の形態に係る光電式エン
コーダの構成を示している。

【図６】 図５に示す受光モジュール３０の断面構造の
一例を示す。図７は、受光モジュール３０の断面構造の
他の例を示す。

【図７】 受光モジュール３０の断面構造の他の例を示
す。

【図８】 本発明の第三の実施の形態に係る光電式エン
コーダの構成を示している。

【図９】 同実施の形態の受光素子群とインデックスス
ケールの複数セットの配置構成を示す図である。

【図１０】 同実施の形態の受光モジュール３０の平面
図である。

【図１１】 図８のＡ―Ａ´断面図である。

【図１２】 第三の実施の形態の変形例を示す。

【符号の説明】

１０・・・スケール ２０・・・面発光光源 ３０・・・・・・受光モジュール ３１・・・・・・透明基板 ３２・・・・・・透明電極 ３３・・・・・・保護膜 ５０・・・・・・回路基板 ７０・・・・・・発光側格子

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の基準格子が形成された反射型スケ
   ールと、 前記スケール上に照射するための光束を発する面状発光
   面を備えた面発光光源と、 前記面発光光源と前記反射型スケールとの間の位置に前
   記面発光光源と近接させて配置される光透過部材と、 該光透過部材に形成され前記面発光光源の前面に配置さ
   れた発光側格子と、 前記光透過型部材の内部又は外部に配置された複数の受
   光素子により構成され前記面発光光源からの光束を前記
   発光側格子及び前記基準格子を介して受光する受光素子
   アレイとを備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 【請求項２】 前記発光側格子は、該複数の受光素子の
   前記面発光光源側に設けられ前記受光素子アレイに接続
   された電極膜である請求項１に記載の光電式エンコー
   ダ。
3. 【請求項３】 前記光透過部材上の前記面発光光源と対
   向する位置に形成され、前記面発光光源からの光束を偏
   向させる偏向光学部材を備えた請求項１に記載の光電式
   エンコーダ。
4. 【請求項４】 前記受光素子アレイは、その検出信号の
   位相が異なる複数の受光素子群からなるとともに、この
   受光素子群と前記発光側格子とが前記反射型スケールの
   測定軸方向に交互に配置されている請求項１に記載の光
   電式エンコーダ。
5. 【請求項５】 前記発光側格子は、前記受光素子アレイ
   の配線用の金属膜と同一の工程で同一の材料により形成
   される請求項４に記載の光電式エンコーダ。
6. 【請求項６】 前記発光側格子は、前記受光素子と同様
   の構造を備えたダミー素子と、このダミー素子上に形成
   された金属膜とにより構成されたものである請求項４に
   記載の光電式エンコーダ。
7. 【請求項７】 前記受光素子アレイは前記発光側格子の
   側方に設けられた請求項１に記載の光電式エンコーダ。
8. 【請求項８】 前記光透過部材上の前記面発光光源と対
   向する位置に形成され、前記面発光光源からの光束を偏
   向させる偏向光学部材を備えた請求項７に記載の光電式
   エンコーダ。
9. 【請求項９】 前記発光側格子は、前記受光素子アレイ
   の配線用の金属膜と同一の工程で同一の材料により形成
   される請求項７に記載の光電式エンコーダ。
10. 【請求項１０】 前記発光側格子は、前記受光素子と同
    様の構造を備えたダミー素子と、このダミー素子上に形
    成された金属膜とにより構成されたものである請求項７
    に記載の光電式エンコーダ。