JP2005003669A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 平均化効果を高めること、受光チップを構成する複数のフォトダイオードの接合容量の合計を小さくすること、の両立が可能な光電式エンコーダを提供する。
【解決手段】 光電式エンコーダの受光チップ１５には、複数のフォトダイオード２３が測定軸Ｘに沿ってアレイ状に配置されている。アレイの端部３１に配置されているＰＤ２３のピッチＰ_１および受光面２５の幅Ｗ_１は、それぞれ、アレイの中央部２９に配置されているそれのピッチＰ_２およびそれの幅Ｗ_２よりも小さくされている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダに関する。

従来から直線変位や角度変位などの精密な測定には、光電式エンコーダ（以下、「エンコーダ」という場合もある。）が利用されている。エンコーダは、三次元測定機や画像測定機などに搭載される。エンコーダは、光源と、光学格子を含むスケールと、光源と一緒にスケールに対して相対移動可能に配置された受光部と、により構成される。受光部は、例えば、四つの受光素子（例えばフォトダイオード）と、各受光素子の受光面に対応して配置された互いに位相の異なる四つのインデックス格子と、を含む。

エンコーダの動作を簡単に説明する。光源を受光部と一緒にスケールに対して相対移動させながら、光源からの光を、スケールの光学格子を含む光学系を介して受光部の四つのインデックス格子に照射する。つまり、受光部のインデックス格子をスケールの光学格子に対して相対移動させながら、光源からの光をスケールの光学格子に照射して生成された干渉縞（明暗パターン）を、受光部のインデックス格子に照射するのである。これにより、光の強弱が正弦波状に変化する四つの光信号が生成される。これらの光信号は互いに位相が異なっている。これらの光信号は各位相に対応する受光素子で受光され、光電変換されて発生した電気信号を利用して直線などの変位量が測定される。

位相の異なる四つの光信号とは、Ａ相（０度）の光信号、Ａ相より９０度だけ位相がずれたＢ相（９０度）の光信号、Ａ相より１８０度だけ位相がずれたＡＡ相（１８０度）の光信号およびＡ相より２７０度だけ位相がずれたＢＢ相（２７０度）の光信号のことである。Ａ相およびＢ相を利用するのは、先に検出されるのがＡ相かＢ相かによって、受光部の相対移動の方向を判断するためである。また、Ａ相やＢ相の光信号以外にこれらを反転させた、ＡＡ相やＢＢ相の光信号を利用するのは、（１）Ａ相やＢ相の光信号に含まれる直流成分の除去、（２）光信号の信頼性の確保及び（３）高速追従性の確保のためである。

位相の異なる複数の光信号に対応した数の受光素子があれば、原理的に測定が可能である。したがって、位相の異なる四つの光信号の場合、受光素子が四つあればよい。この第１のタイプのエンコーダは、例えば、特許文献１に開示されている。

ところで、光源の光強度分布やスケール面の汚れ等が原因で、光量にバラツキが生じることがある。上記タイプによれば、各位相の光信号はそれぞれ一箇所で検出されるので、光量のバラツキの影響を受けやすい。例えば、Ａ相用の受光素子の配置場所が他の受光素子の配置場所に比べて照射される光の強度が弱い場合、Ａ相の出力が弱くなるため、測定精度が低下する。

そこで、受光素子を細かく分割してアレイ状に並べることにより、インデックス格子の機能を兼用させ、更にＡ相用の受光素子、Ｂ相用の受光素子、ＡＡ相用の受光素子、ＢＢ相用の受光素子を一つのセットとし、エンコーダの測定軸方向に沿って、複数のセットをアレイ状に配列させた第２のタイプのエンコーダがある（例えば特許文献２）。これによれば、各位相の光信号が検出される場所が広い範囲に分散されるため、光量のバラツキの影響を小さくできる（以下、これを「平均化効果」という。）。

第２のタイプのエンコーダに備えられる受光素子は、測定軸方向に等ピッチで配置されている。これに対して、第３のタイプのエンコーダに備えられる受光素子は、測定軸方向及びこれと直交する方向に、それぞれ等ピッチで配置されている（例えば特許文献３）。
国際公開第０１／３１２９２号のパンフレット（明細書第５頁第１９行〜第６頁第７行、Fig.5） 特開平７−１５１５６５号公報（段落［００１４］、図４） 特表２００４−５０１３５６号公報（Fig.４）

平均化効果を高めることは、測定精度を向上させるために重要である。しかし、単に平均化効果を高めると、エンコーダの応答速度が低下する問題が生じる。これについて、詳しく説明する。

フォトダイオードのような受光素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とを接合した構成を有する。この接合の容量が大きくなるとエンコーダの応答速度が下がる。したがって、接合容量の増加はエンコーダの性能に悪影響を与える。受光素子の接合容量は、受光面の面積や受光面の周囲（エッジ）の長さと相関関係にある。つまり、面積や周囲の長さが大きくなると接合容量が増加し、面積や周囲の長さが小さくなると接合容量が減少するのである。

上記第２のタイプや第３のタイプでは、受光面の面積の合計が第１のタイプのそれと同じでも、第１のタイプよりも受光素子の数が多くなるので、受光面の周囲の長さの合計が大きくなる。したがって、第２のタイプや第３のタイプは、第１のタイプよりも接合容量が大きくなるため、エンコーダの応答速度が下がる。以上のように、従来の技術では、平均化効果を高めようとすると、受光部を構成する複数の受光素子の接合容量の合計が増え、逆にこの合計を低下させようとすると平均化効果が小さくなるのである。

より精密な測定のためにスケールの光学格子が狭ピッチ化すると、これに対応して受光素子も狭ピッチ化しなければならない。したがって、受光面の幅を小さくした受光素子を多数配置しなければならない。光電変換により測定に必要な強さの電気信号を得るためには、受光面の面積の合計が所定量必要となる。したがって、受光素子が狭ピッチ化すると受光素子の数が増加するので、受光面の周囲の長さの合計も大きくなり、これに伴って複数の受光素子の接合容量の合計が増大する。よって、スケールの光学格子が狭ピッチ化すると、エンコーダの応答速度の低下の問題を無視できなくなる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、平均化効果を高めること、複数の受光素子の接合容量の合計を小さくすること、の両立が可能な光電式エンコーダを提供することを目的とする。

本発明に係る光電式エンコーダは、光源と、前記光源からの光が照射される光学格子を含むスケールと、前記スケールに対して測定軸方向に相対移動可能に配置され、前記光学格子に照射された光を基にして生成された光信号が入射する受光面をそれぞれ有すると共に位相の異なる複数の光信号を検出する複数の受光素子と、を備え、前記複数の受光素子はアレイ状に配置され、アレイの端部に配置された受光素子のサイズは、前記アレイの中央部に配置された受光素子のサイズに比べて小さくされている、ことを特徴とする。

本発明に係る光電式エンコーダによれば、アレイの端部において受光素子のサイズを比較的小さくすることにより、光源の光強度分布が原因となる光強度の変化に対する平均化効果をアレイの端部側において高めることができる。一方、アレイの中央部において受光素子のサイズを比較的大きくしているので、受光素子の数の増加を抑制でき、これにより、複数の受光素子の接合容量の合計が増大するのを防ぐことができる。

本発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記複数の受光素子は、前記測定軸に沿って配置されており、前記受光面の前記測定軸方向のサイズは、前記アレイの端部に配置された受光素子のほうが前記アレイの中央部に配置された受光素子よりも小さくされている、ようにすることができる。

これによれば、測定軸に沿って配置された複数の受光素子において、アレイの端部に配置された受光素子の測定軸方向のサイズを比較的小さくできる。よって、測定軸方向におけるアレイの端部側で、受光素子のサイズをより小さくできるので、光源の光強度分布が原因となる光強度の変化に対する平均化効果を、端部側でさらに高めることができる。また、アレイの中央部に配置された受光素子の測定軸方向のサイズを比較的大きくできる。したがって、受光面の面積の合計値を必要な量だけ確保するために受光素子の数を増やす必要がなくなるので、複数の受光素子の接合容量の合計の増加を抑制できる。

本発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記複数の受光素子を含む受光チップを備え、このチップは、さらに、前記受光面を部分的に覆う遮光部を有するインデックス格子を含むようにすることができる。

これによれば、アレイの中央部と端部において受光面のサイズが異なっていても、各受光素子は、位相の異なる複数の光信号の中で割り当てられた位相の光信号を受光することができる。

本発明に係る光電式エンコーダにおいて、受光チップが、導電性の前記遮光部の下でこの遮光部に接続されると共に前記受光面とコンタクトしているコンタクト部と、前記遮光部と接続された配線と、を含むようにすることができる。

これによれば、インデックス格子の遮光部が受光素子に接続される配線を兼ねることにより、受光面の有効受光面積の減少を防止できる。

本発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記複数の受光素子は、前記測定軸と直交する方向に沿って配置されており、前記受光面の前記測定軸と直交する方向のサイズは、前記アレイの端部に配置された受光素子のほうが前記アレイの中央部に配置された受光素子よりも小さくされている、ようにすることができる。

これによれば、測定軸方向と直交する方向に沿って配置された複数の受光素子について、上記測定軸方向に沿って配置された複数の受光素子の場合と同様の理由により、アレイの端部側での光強度の変化に対する平均化効果をさらに高めることができると共に複数の受光素子の接合容量の合計の増加を抑制できる。

本発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記複数の受光素子により、セット毎に受光素子のサイズが異なる複数のセットが構成されており、各セットを構成する受光素子は、同じピッチで連続して配置されていると共に位相の異なる複数の光信号を検出する受光素子を含むようにすることができる。

これによれば、セット内での受光素子のサイズを一定としてセット内でのバランスをとりつつアレイの端部が中央部に比べてピッチが小さくなるように受光素子を配置できる。

本発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記複数のセットのうち、前記アレイの端部に配置されたセットと、前記アレイの中央部に配置されたセットと、の間にあるアレイの中間部に配置されたセットにおいて、受光素子のサイズは、前記アレイの端部のセットのそれよりも大きく、かつ前記アレイの中央部のセットのそれよりも小さい、ようにすることができる。

これによれば、光源の光強度分布が原因となる光強度の変化量に合わせて、受光素子のサイズを変えることができる。よって、受光素子の数を増やすことなく、端部のセット、中央部のセット、中間部のセットのそれぞれにおいて、光強度の変化に対する十分な平均化効果を得ることができる。

本発明に係る光電式エンコーダにおいて、前記アレイの面上における光強度分布が原因となる光強度の変化量が各セット上で一定になるように前記複数のセットのサイズをそれぞれ設定する、ようにすることができる。

これによれば、アレイの面上における光強度分布が原因となる光強度の変化量に対する平均化効果を各セットにおいて同じにすることができる。

以上は本発明に係る光電式エンコーダの一態様であるが、この他に次の態様がある。すなわち、本発明に係る光電式エンコーダの他の態様は、光源と、前記光源からの光が照射される光学格子を含むスケールと、前記光源からの光が前記光学格子を介して照射されると共に、前記スケールに対して測定軸方向に相対移動可能な受光チップと、前記受光チップ上の測定軸方向及び測定軸方向に垂直な方向に沿ってアレイ状に配置された複数の受光素子と、前記複数の受光素子のそれぞれの前面に配置された複数のインデックス格子と、を備え、前記複数のインデックス格子は、前記相対移動することにより前記複数の受光素子から位相の異なる複数の光信号が出力されるように、互いに測定軸方向に沿って所定オフセット配置されている、ことを特徴とする。

本発明に係る光電式エンコーダの他の態様によれば、複数の受光素子が測定軸方向及び測定軸方向に垂直な方向に沿ってアレイ状に配置されているので、平均化効果を高めることができる。また、インデックス格子を各受光素子の前面に配置することにより、複数の受光素子の接合容量の合計の増大を防止している。

以上述べたように、本発明に係る光電式エンコーダによれば、光源の光強度分布が原因となる光強度の変化に対する平均化効果を高めることができると共に複数の受光素子の接合容量の合計が増大するのを防ぐことができる。よって、高精度でかつ高速な応答の光電式エンコーダを実現できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る光電式エンコーダの第１〜第５実施形態を説明する。なお、第２〜第５実施形態を説明する図において、既に説明した実施形態の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光電式エンコーダ１の概略構成を示す図である。この実施形態は、受光部に含まれる受光チップの構造を主な特徴としているが、この理解の前提として光電式エンコーダ１について説明する。まず、エンコーダ１の構成を説明する。エンコーダ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）３と、これに近い順に沿って配置されたスケール５と、受光部７とにより構成される。

発光ダイオード３は、光源の一例であり、ダイオード３からの光Ｌがスケール５に照射される。スケール５は、ガラスなどの透明材料から構成される長尺状の透明基板９を含む。図１には、その一部が表れている。光学格子１１は、透明基板９の発光ダイオード３側に向く面と反対側の面上に形成されている。光学格子１１は、所定のピッチを設けてリニヤ状に配置された複数の遮光部１３を含む。各遮光部１３は、図面の奥行き方向に延びている。遮光部１３は、金属（例えばクロム）などから構成される。

受光部７は、スケール５とギャップを設けて配置されている。受光部７は、スケール５側に位置する受光チップ１５及びこれが搭載される回路基板１７を含む。受光チップ１５内には、図示しない複数のフォトダイオード（以下、「フォトダイオード」を「ＰＤ」と記載する場合がある。）が形成されている。これらのＰＤの各受光面が、光学格子１１側を向いている。ＰＤは受光素子の一例である。受光素子として、ＰＤの替わりにフォトトランジスタを用いることもできる。回路基板１７には、演算用のＩＣチップ１９が搭載されている。ＩＣチップ１９は、受光チップ１５の複数のＰＤで検出された光信号を基にして変位量の演算を実行する。

受光部７は、発光ダイオード３と共にホルダ２１に取り付けられている。ホルダ２１は、図中のＸで示すスケール５の長手方向に移動可能にされている。つまり、光電式エンコーダ１は、固定されたスケール５に対して、ホルダ２１を移動させることにより、変位量を測定する。よって、Ｘ方向が測定軸となる（以下、Ｘ方向を「測定軸Ｘ」とする。）。なお、発光ダイオード３と受光部７を固定し、スケール５を移動させて変位量を測定するタイプにも、本発明を適用することができる。したがって、受光チップ１５を含む受光部７は、発光ダイオード３と一緒に、スケール５に対して測定軸Ｘ方向に相対移動可能に配置されている。

次に、光電式エンコーダ１の測定動作について、簡単に説明する。発光ダイオード３から光Ｌがスケール５の光学格子１１に照射されると、光学格子１１により明暗パターンＬ１が受光チップ１５上に生じる。この明暗パターンＬ１が受光チップ１５に照射される。この状態で、ホルダ２１を測定軸Ｘに沿って移動させることにより生じる明暗パターンＬ１の変化（正弦波状の光信号）を、受光チップ１５に形成された各フォトダイオード（ＰＤ）で検出する。つまり、Ａ相（０度）の光信号、Ａ相より９０度だけ位相がずれたＢ相（９０度）の光信号、Ａ相より１８０度だけ位相がずれたＡＡ相（１８０度）の光信号およびＡ相より２７０度だけ位相がずれたＢＢ相（２７０度）の光信号が、それぞれに対応するＰＤで検出される。このように、各ＰＤは、位相の異なる複数の光信号の中で割り当てられた位相の光信号を受光する。

各光信号により発生した電気信号は、ＩＣチップ１９に送られる。ＩＣチップ１９では、Ａ相およびＢ相に所定の処理（直流成分の除去等）をした後に、処理されたＡ相およびＢ相を基にして変位量が演算される。この結果を図示しない表示部に出力する。以上が光電式エンコーダ１の動作である。

さて、第１実施形態の主な特徴は、受光チップ１５であり、これについて詳細に説明する。図２は、光学格子側から見た受光チップ１５の全体を模式的に表した平面図である。図３は、図２のうちフォトダイオード２３のみを模式的に表した図である。図４は、図２に示す受光チップ１５をIV(a)-IV(b)断面から見た模式図である。

図４に示すように、受光チップ１５は、ｎ型の半導体基板３７を備える。この基板３７の一方の面には、ｐ型の拡散領域３９が間隔を設けて形成されている。半導体基板３７と拡散領域３９との接合部が、ＰＤ２３となる。複数のＰＤ２３が、半導体基板３７中にアレイ状に形成されている。

半導体基板３７の一方の面のうち、ｐ型の拡散領域３９が形成されている領域が、受光面２５となる。なお、ｐ型の拡散領域３９どうしの分離（つまり、各フォトダイオード２３の素子分離）を確実にするために、拡散領域３９どうしの間の半導体基板３７に、ｎ^＋型の拡散領域を形成してもよい。半導体基板３７の一方の面は、拡散領域３９を覆うようにシリコン酸化膜のような絶縁膜４１で覆われている。

複数のＰＤ２３を平面的に見ると、図２及び図３に示すように、複数のＰＤ２３が、光学格子と向かい合うｘｙ面上に、測定軸Ｘに沿ってアレイ状に配置されている。なお、ｘ軸は、図１で説明した測定軸Ｘと向きが一致している。

Ａ相の光信号を受光するＰＤ２３、Ｂ相の光信号を受光するＰＤ２３、ＡＡ相の光信号を受光するＰＤ２３、ＢＢ相の光信号を受光するＰＤ２３を一つのセット２７としている。測定軸Ｘ方向に沿って、アレイの中央部２９には、複数のセット２７が配置されている。アレイの中央部２９の両側であるアレイの端部３１には、それぞれ一つのセット２７が配置されている。アレイの端部３１に配置されたセット２７を構成するＰＤ２３のピッチＰ_１は、アレイの中央部２９に配置されたセット２７を構成するＰＤ２３のピッチＰ_２よりも小さい。一方、各セット２７内では、ＰＤ２３が同じピッチで連続して配置されている。これにより、各セット２７内でのＰＤ２３のバランスをとっている。

各受光面２５には、光学格子に照射された光を基にして生成された対応する光信号（Ａ相、Ｂ相、ＡＡ相、ＢＢ相の光信号）が入射する。言い換えれば、図１に示す明暗パターンＬ１が受光チップ１５に照射された状態で、ホルダ２１が移動することにより生成される位相の異なる複数の光信号の中で割り当てられた位相の光信号が、各受光面２５に入射する。受光面２５の形状は、ｙ方向が長手方向の矩形である。受光面２５の測定軸Ｘ方向のサイズ（つまり、受光面２５の幅）は、中央部２９と端部３１とで異なる。すなわち、アレイの端部３１に配置されたＰＤ２３の受光面２５の幅Ｗ_１は、アレイの中央部２９のそれの幅Ｗ_２より小さくされている。

次に、図２及び図４により、インデックス格子３３について説明する。受光チップ１５は、各受光面２５を覆うように、絶縁膜４１上に形成されたインデックス格子３３を有する。インデックス格子３３は、各受光面２５上に間隔を設けて配置されたｙ方向に延びる複数の遮光部３５を有する。遮光部３５は、光を透過しない性質を有すればよい。したがって、その材料は、金属（例えば、クロム、アルミニウム）や樹脂が挙げられる。

受光面２５上の隣り合う遮光部３５の間が透光部４０となる。よって、インデックス格子３３は、受光面２５を部分的に覆う遮光部３５を有する、と言うことができる。遮光部３５を少なくとも二つ以上組み合わせて、これらを一つの受光面２５上に配置することにより、一つのインデックス格子３３が構成される。

各受光面２５において、割り当てられた位相の光信号と対応する箇所に透光部４０が位置し、それ以外の箇所に遮光部３５が位置している。具体的に説明すると、例えば、ＢＢ相の光信号を受光するＰＤ２３ＢＢにおいて、ＢＢ相の光信号と対応する箇所に透光部４０が位置している。これにより、ＰＤ２３ＢＢは、Ａ相、Ｂ相及びＡＡ相の光信号を受光しないことになる。ＰＤ２３の幅が中央部２９と端部３１とで異なるが、遮光部３５のピッチを等しくすることにより、光信号の位相のずれを防いでいる。

図４に示すように、インデックス格子３３を覆うように、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のような保護膜４３が形成されている。半導体基板３７の他方の面の全面には各ＰＤ２３の共通電極（例えばＡｕ電極）４５が形成されている。

インデックス格子３３の変形例を図５で説明する。図５は、受光チップ１５の断面の模式図であり、図４と対応する。隣り合う受光面２５の間は、遮光部３５で覆われている。隣り合う受光面２５の間から半導体基板３７に入射した光は、ノイズの原因になることがある。この変形例によれば、隣り合う受光面２５の間から半導体基板３７に光が入射するのを防止できる。

第１実施形態に係る光電式エンコーダ１は、次の主な効果を有する。

（１）第１実施形態によれば、受光チップ１５を構成する複数のＰＤ２３の接合容量の合計の増大を防ぎつつ、光源の光強度分布が原因となる光強度の変化に対する平均化効果をアレイの端部３１側において高めることができる。以下、詳細に説明する。図６は、受光チップに形成されたＰＤアレイの各位置における光強度の強さを示すグラフである。発光ダイオード３のような光源は、光源のサイズなどの制約から図６に示すような光強度分布を持っている。この分布を見れば分かるように、アレイの中央部に比べてアレイの端部のほうが光の強度が小さく、かつ光の強度の変化量（曲線の傾き）が大きい。このため、ＰＤのピッチが比較的大きいと、アレイの端部では、各ＰＤで発生する光電流の直流成分の差が大きくなる。つまり、Ａ相の光信号、Ｂ相の光信号、ＡＡ相の光信号、ＢＢ相の光信号の直流成分の値が、互いに異なりかつその差が大きくなる。これが、光電式エンコーダの高精度測定の障害となる。

ＰＤのピッチを比較的小さくした受光チップにすれば、上記問題を解消できる。しかし、所定の大きさの領域に複数のＰＤをアレイ状に配置して受光チップを作製する場合、ＰＤのピッチを比較的小さくすると、その分だけＰＤの数が増え、受光チップを構成する複数のＰＤの接合容量の合計が増大する。

本発明者は、光源の光強度分布が原因となる光の強度の変化量（曲線の傾き）がアレイの中央部に比べてアレイの端部が大きい点に着目したのである。つまり、図３に示すように、第１実施形態において、アレイの端部３１に配置されたＰＤ２３のピッチを比較的小さくすることにより、光強度の変化に対する平均化効果をアレイの端部３１側において高めている。一方、アレイの中央部２９に配置されたＰＤ２３のピッチを比較的大きくすることにより、ＰＤの数の増加を抑制し、これにより、受光チップ１５を構成する複数のＰＤ２３の接合容量の合計の増大を防いでいる。

（２）第１実施形態によれば、図３に示すように、アレイの端部３１に配置されたＰＤ２３の受光面２５の幅Ｗ_１を、中央部２９に配置されたＰＤ２３のそれの幅Ｗ_２より小さくしている。よって、端部３１側のＰＤ２３のピッチＰ_１をより小さくできるので、端部３１側での光強度の変化に対する平均化効果をさらに高めることができる。一方、幅Ｗ_１を幅Ｗ_２より小さくした分だけ、中央部２９に配置されたＰＤ２３の受光面の幅Ｗ_２が比較的大きくなる。したがって、受光面２５の面積の合計値を必要な量だけ確保するためにＰＤ２３の数を増やす必要がなくなるので、複数のＰＤ２３の接合容量の合計の増加を抑制できる。

（３）第１実施形態では、（２）で説明したように、アレイの中央部２９と端部３１において、受光面２５の幅が異なっている。図２に示すインデックス格子３３を受光面２５上に配置することにより、各ＰＤ２３は、位相の異なる複数の光信号の中で割り当てられた位相の光信号を受光することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態については、第１実施形態との相違を中心に説明する。図７は、第２実施形態に係る光電式エンコーダの受光チップ１５に形成されたＰＤアレイの中央部２９におけて、一つの受光面２５とインデックス格子３３との配置関係を模式的に示す平面図である。図８は、図７に示す構造をVIII(a)-VIII(b)断面から見た模式図である。

第２実施形態において、インデックス格子３３の遮光部３５は、フォトダイオード２３に接続する配線の一部となる。以下、詳細に説明する。遮光部３５は、アルミニウムのような導電性の金属である。受光面２５上に配置された四つの遮光部３５と配線４７とは、同じ層に位置する。これらは同時にパターンニングして形成される。遮光部３５のうち、中央の二つの遮光部３５-１は、配線４７と接続されるようにパターンニングされている。

遮光部３５-１と受光面２５との間の絶縁膜４１には、コンタクトホール４９が形成されている。コンタクトホール４９には、導電プラグ（例えばアルミニウム）からなるコンタクト部５１が形成されている。コンタクト部５１は、遮光部３５-１の下でこれに接続されると共に受光面２５とコンタクトしている。したがって、配線４７は、遮光部３５-１およびコンタクト部５１により、フォトダイオード２３に接続されている。なお、この実施形態では、導電プラグをコンタクト部５１としているが、遮光部３５-１となる膜を絶縁層４１上に形成する際に、コンタクトホール４９にこの膜を埋め込んで、これをコンタクト部にしてもよい。

第２実施形態は、第１実施形態と同様の効果の他に次の効果を有する。配線４７とフォトダイオード２３との接続に遮光部３５-１を利用しない構造であると、この接続のために、遮光部３５と同じ層の受光面２５上に新たな導電膜を形成しなければならない。この導電膜により、受光面２５の有効受光面積が減少する。これに対して、第２実施形態では、配線４７とフォトダイオード２３との接続に導電性の遮光部３５-１を利用している。したがって、受光面２５の有効受光面積の減少を防止できる。

また、上記遮光部３５-１を利用しない構造であると、図８の断面にコンタクト部５１が存在していないことになる。したがって、遮光部３５-１とｐ型の拡散領域３９とで絶縁膜４１が挟まれた構造を有する寄生容量が形成される。これは、エンコーダの応答速度を下げる原因となる。これに対して、第２実施形態では、遮光部３５-１とｐ型の拡散領域３９とがコンタクト部５１で接続されているので、上記のような寄生容量は発生しない。

［第３実施形態］
第３実施形態については、第１実施形態との相違を中心に説明する。図９は、光学格子側から見た第３実施形態の受光チップ１５のフォトダイオードアレイを模式的に表した平面図である。この図では、インデックス格子の図示を省略している。図１０は、第３実施形態に係る受光チップ１５の一部の平面図である。この図では、受光面２５とインデックス格子の透光部４０との位置関係が示されている。受光素子の前面に配置される格子をインデックス格子と言う。

図９に示すように、複数のＰＤ２３の受光面２５が、光学格子と向かい合うｘｙ面に二次元的に配置されている。言い換えれば、複数のＰＤ２３が行列状に配置されている。複数のＰＤ２３が、受光チップ１５上のｘ方向（つまり測定軸方向）及びｙ方向（つまり測定軸方向に垂直な方向）に沿ってアレイ状に配置されている、と言うこともできる。Ａ相、Ｂ相、ＡＡ相、ＢＢ相の光信号が入射する受光面２５には、それぞれ「Ａ」、「Ｂ」、「ＡＡ」、「ＢＢ」と記載されている。これはどの受光面にどの位相の光信号が入射するかを示すためであり、実際の受光面２５にはこのような記載はない。Ａ相用、Ｂ相用、ＡＡ相用、ＢＢ相用の受光面２５がｘ方向およびｙ方向に周期的に配置されている。

図１０に示すように、異なる位相用の受光面２５がｙ方向に並んでいる。透光部４０の位相をずらすことにより、各ＰＤ２３が対応する位相の光信号を受光できるようにしている。このように、各受光面２５において、割り当てられた位相の光信号と対応する箇所に透光部４０が位置し、それ以外の箇所にインデックス格子の遮光部が位置するようにしている。すなわち、各ＰＤ２３の前面には、インデックス格子が配置されている。これらのインデックス格子は、ホルダ２１を測定軸Ｘに沿って移動させることにより、複数のＰＤ２３から位相の異なる複数の光信号が出力されるように、互いに測定軸Ｘ方向に沿って所定オフセット配置されている。各受光面２５上に配置された透光部４０の数は一つであるが、複数であってもよい。

図９に示すように、測定軸Ｘと直交する方向であるｙ方向において、アレイの端部５３に配置されたＰＤ２３のピッチＰ_１が、中央部５５に配置されたＰＤ２３のピッチＰ_２に比べて小さくされている。これにより、（１）ｙ方向のアレイの端部５３おいて、光強度の変化に対する平均化効果を高めることができ、（２）アレイの中央部５５において、ＰＤ２３のピッチが比較的大きいので、ＰＤ２３の数の増加を抑制し、複数のＰＤ２３の接合容量の合計の増大を防いでいる。

アレイの端部５３に配置されたＰＤ２３の受光面２５の測定軸Ｘと直交する方向（つまり測定軸Ｘ方向に垂直な方向であるｙ方向）のサイズＳ_１は、中央部５５に配置されたＰＤ２３のそれのサイズＳ_２よりも小さくされている。したがって、第１実施形態で説明した測定軸Ｘ方向に沿って配置された複数のＰＤ２３の場合と同様の理由により、ｙ方向に沿って配置された複数のＰＤ２３について、端部５３側での光強度の変化に対する平均化効果をさらに高めることができると共に複数のＰＤ２３の接合容量の合計の増加を抑制できる。

また、Ａ相用、Ｂ相用、ＡＡ相用、ＢＢ相用の受光面２５がそれぞれ測定軸Ｘに対して斜めに配置されている。そして、Ａ相用、Ｂ相用、ＡＡ相用、ＢＢ相用の受光面２５が測定軸Ｘの斜め方向に周期的に配置されている。このように、同じ位相の光信号を受光するＰＤ２３が測定軸Ｘに対して斜めに配置されていると共に異なる位相の光信号を受光するＰＤ２３が測定軸Ｘの斜め方向に周期的に配置されている。よって、各位相用のＰＤ２３の配置を均等にできるので、平均化効果を高めることができる。各位相用のＰＤ２３の配置を均等にすることは、各位相用のＰＤ２３の配置を不規則にすることによっても実現できる。しかしながら、このような配置に比べて第３実施形態によれば、ＰＤ２３の配置の均等化を簡単に実現できる。
［第４実施形態］
第４実施形態については、第１実施形態との相違を中心に説明する。図１１は、第４実施形態の受光チップ１５のフォトダイオードアレイを模式的に表した平面図であり、図３と対応している。

アレイの中央部２９と端部３１との間に位置するアレイの中間部５７のセット２７において、ＰＤ２３のピッチＰ_３は、ピッチＰ_１よりも大きくされており、ピッチＰ_２よりも小さくされている。同様に、ＰＤ２３の幅Ｗ_３は、幅Ｗ_１よりも大きくされており、幅Ｗ_２よりも小さくされている。

第４実施形態の主な効果を説明する。

（１）図１１の受光チップ１５の下のグラフは、受光チップ１５のアレイの各位置における光強度を示しており、図６と対応している。アレイの中間部５７は、光強度の変化量（曲線の傾き）が、アレイの端部３１に比べて小さい。このため、中間部５７は端部３１よりもＰＤ２３のピッチを密にしなくても十分な平均化効果を得ることができる。一方、アレイの中間部５７における光強度の変化量は、アレイの中央部２９のそれと比べて大きい。よって、中間部５７のＰＤ２３のピッチを中央部２９のそれに合わせると十分な平均化効果を得ることができない。

そこで、第４実施形態では、光強度の変化量に合わせて、ＰＤ２３のピッチを変えている。これにより、ＰＤ２３の数を増やすことなく、中央部２９のセット２７、中間部５７のセット２７、端部３１のセット２７、のそれぞれにおいて、アレイ２９，３１，５７の面上における光強度分布が原因となる光強度の変化に対する十分な平均化効果を得ることができる。なお、この光強度分布は例えば光源が原因で生じる。

なお、図１１のグラフ（光強度分布）は、実際に測定した値で作成してよいし、ガウス分布などのモデル値で作成してもよい。

（２）第４実施形態では、アレイの中間部５７のセット２７上における光強度の変化量ΔＥ_３と、端部３１のそれの変化量ΔＥ_１と、が同じになるように、中間部５７のセット２７の測定軸Ｘ方向のサイズＸ_３、端部３１のセット２７の測定軸Ｘ方向のサイズＸ_１を、それぞれ設定している。したがって、光強度の変化量に対する平均化効果を、端部３１のセット２７と中間部５７のセット２７とで同じにすることができる。これにより、測定精度を向上させることができる。

なお、第４実施形態では、アレイの中央部２９のセット２７上での光強度の変化量が中間部５７や端部３１のそれらと比べてかなり小さい。したがって、中央部２９の光強度の変化量が中間部５７や端部３１のそれらと同じになるように、中央部２９のセット２７の測定軸Ｘ方向のサイズを設定するのは困難である。このため、第４実施形態では、セット２７の測定軸Ｘ方向におけるサイズの設定に、中央部２９のセット２７を考慮していない。但し、中央部２９のセット２７上での光強度の変化量が比較的大きければ、中央部２９のセット２７も考慮するのが好ましい。
［第５実施形態］
図１２は、第５実施形態の比較となる受光チップの一部の平面図である。図１３は、第５実施形態の受光チップの一部の平面図である。第１〜第４実施形態において、ＰＤ２３のピッチＰは、光強度の変化量を基に決められる。一方、インデックス格子３３の透光部４０の位置は、光信号の位相を基に決められる。したがって、図１２に示す受光面２５-１のように、透光部４０-１が受光面２５-１上に位置しない場合が発生する可能性がある。

そこで、図１３に示す第５実施形態において、透光部４０-１については、同じ位相の光信号が入射する前後の位置に透光部４０-１をずらして、透光部４０-１を受光面２５-１上に位置させている。

第５実施形態を具体的に説明する。図１４は、第５実施形態に係るインデックス格子３３の一例の平面図である。光学格子３３はｘ方向に沿って配置されている。この光学格子３３は、図３の受光チップ１５に配置することができる。一方、図１５は、第５実施形態に係るインデックス格子３３の他の例の平面図である。光学格子３３はｘ方向及びｙ方向に沿って配置、つまり行列状に配置されている。この光学格子３３は、図９の受光チップ１５に配置することができる。なお、図１５において、ｙ方向に沿って配置されたインデックス格子３３の透光部４０の位置は、各位相において同じに表されている。これは、図面が複雑になるのを回避するためであり、実際には位相差がある。

透光部４０の位置は、次ぎに説明する計算により決められる。まず、受光チップ１５上に、ｘ方向の基準位置ＲＰを任意に決める。一般的に、基準位置ＲＰとしては、（１）受光チップ１５の平面上に引かれた受光チップ１５の仮想の中心線（機械的中心線）や（２）受光チップ１５の端面が選択される。

基準位置ＲＰから各位相用の透光部４０までの距離を、Ｘａ（ｋ）、Ｘｂ（ｋ）、Ｘａａ（ｋ）、Ｘｂｂ（ｋ）とする。ｋは、透光部４０の順番を示す番号である。例えば、Ｘａ（１）は、Ａ相用の透光部４０の中で一番目に配置される透光部４０と基準位置ＲＰとの距離である。Ｘａ（ｋ）、Ｘｂ（ｋ）、Ｘａａ（ｋ）、Ｘｂｂ（ｋ）は、以下の式を満足する値に設定される。これにより、透光部４０を受光面２５上に配置することができる。

ＭＯＤ（Ｘａ（ｋ）,Ｐｆ）＝（０／４）×Ｐｆ＋φ
ＭＯＤ（Ｘｂ（ｋ）,Ｐｆ）＝（１／４）×Ｐｆ＋φ
ＭＯＤ（Ｘａａ（ｋ）,Ｐｆ）＝（２／４）×Ｐｆ＋φ
ＭＯＤ（Ｘｂｂ（ｋ）,Ｐｆ）＝（３／４）×Ｐｆ＋φ
ここで、ＭＯＤ（Ａ,Ｂ）演算は、ＡをＢで割った余りを求める演算である。また、φは基準位置ＲＰによって決まる値である。φは各位相に共通な値であり、位相差に関係しない。Ｐｆは、図１に示すように、光源３からの光Ｌを光学格子１１に照射した際に生成される明暗パターンＬ１の波長である。インデックス格子３３の透光部４０の位置を上記のようにして決めることにより、対応する位相の光信号をＰＤ２３に受光させることができる。

なお、図６で説明したように、ＰＤアレイの位置により光強度が相違している。このため、上記式を用いて透光部４０の位置を決めると、Ａ相用のＰＤ２３の総受光量、Ｂ相用のＰＤ２３の総受光量、ＡＡ相用のＰＤ２３の総受光量、ＢＢ相用のＰＤ２３の総受光量が同じにならず、不均一になる可能性もある。このような場合、透光部４０の個数やサイズを変えることにより、各位相用のＰＤ２３の総受光量を均一にすることができる。例えば、Ａ相用のＰＤ２３の総受光量が他のＰＤ２３の総受光量より小さい場合、Ａ相用のＰＤ２３の前面に配置されるインデックス格子の透光部４０の個数や幅を調整する。

なお、第１〜第５実施形態では、四つの位相の異なる光信号（Ａ相、Ｂ相、ＡＡ相、ＢＢ相の光信号）を用いて変位量を測定しているが、本発明に係る光電式エンコーダはこれに限定されない。例えば、三つの位相の異なる光信号（０度の位相の光信号、０度より１２０度だけ位相がずれた光信号、０度より２４０度だけ位相がずれた光信号）についても、本発明に係る光電式エンコーダに適用できる。

また、図１に示すように、第１〜第５実施形態に係る光電式エンコーダ１は、スケール５の光学格子１１を透過した発光ダイオード３からの光Ｌを用いて変位量の測定をする、いわゆる透過型のタイプである。しかしながら、反射型のタイプ、つまり、スケール５の光学格子１１で反射された発光ダイオード３からの光Ｌを用いて変位量を測定する場合にも、本発明を適用することができる。

第１〜第５実施形態に係る光電式エンコーダ１は、スケール５に設けられた光学格子１１と、ＰＤ２３の前面に配置されたインデックス格子３３と、を備える二枚格子構成のタイプである。しかしながら、これらの格子に加えて、光源である発光ダイオード３とスケール５との間に配置された光学格子をさらに備える三枚格子構成タイプにも、本発明を適用することができる。

第１実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す図である。 図１の光学格子側から見た受光チップの全体を模式的に表した平面図である。 図２のうちフォトダイオードのみを模式的に表した図である。 図２に示す受光チップをIV(a)-IV(b)断面から見た模式図である。 第１実施形態に係るインデックス格子の変形例を示す図である。 受光チップに形成されたＰＤアレイの各位置における光強度の強さを示すグラフである。 第２実施形態に係る光電式エンコーダの受光チップに形成されたＰＤアレイの中央部において、一つの受光面とインデックス格子との配置関係を模式的に示す平面図である。 図７に示す構造をVIII(a)-VIII(b)断面から見た模式図である。 光学格子側から見た第３実施形態の受光チップのフォトダイオードアレイを模式的に表した平面図である。 第３実施形態の受光チップの一部の平面図である。 第４実施形態の受光チップのフォトダイオードアレイを模式的に表した平面図である。 第５実施形態の比較となる受光チップの一部の平面図である。 第５実施形態の受光チップの一部の平面図である。 第５実施形態に係るインデックス格子の一例の平面図である。 第５実施形態に係るインデックス格子の他の例の平面図である。

符号の説明

１・・・光電式エンコーダ、３・・・発光ダイオード、５・・・スケール、７・・・受光部、９・・・透明基板、１１・・・光学格子、１３・・・遮光部、１５・・・受光チップ、１７・・・回路基板、１９・・・ＩＣチップ、２１・・・ホルダ、２３,２３ＢＢ・・・フォトダイオード（ＰＤ）、２５,２５-１・・・受光面、２７・・・セット、２９・・・アレイの中央部、３１・・・アレイの端部、３３・・・インデックス格子、３５・・・遮光部、３７・・・ｎ型半導体基板、３９・・・ｐ型拡散領域、４０,４０-１・・・透光部、４１・・・絶縁膜、４３・・・保護膜、４５・・・共通電極、４７・・・配線、４９・・・コンタクトホール、５１・・・コンタクト部、５３・・・アレイの端部、５５・・・アレイの中央部、５７・・・アレイの中間部、Ｌ・・・光、Ｌ１・・・明暗パターン、ＲＰ・・・基準位置、Ｐ,Ｐ_１,Ｐ_２,Ｐ_３・・・フォトダイオードのピッチ、Ｗ_１,Ｗ_２,Ｗ_３・・・受光面の幅（サイズの一例）、Ｓ_１,Ｓ_２・・・サイズ

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源からの光が照射される光学格子を含むスケールと、
   前記スケールに対して測定軸方向に相対移動可能に配置され、前記光学格子に照射された光を基にして生成された光信号が入射する受光面をそれぞれ有すると共に位相の異なる複数の光信号を検出する複数の受光素子と、
   を備え、
   前記複数の受光素子はアレイ状に配置され、
   アレイの端部に配置された受光素子のサイズは、前記アレイの中央部に配置された受光素子のサイズに比べて小さくされている、
   ことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記複数の受光素子は、前記測定軸に沿って配置されており、
   前記受光面の前記測定軸方向のサイズは、前記アレイの端部に配置された受光素子のほうが前記アレイの中央部に配置された受光素子よりも小さくされている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
3. 前記複数の受光素子を含む受光チップを備え、
   前記受光チップは、さらに、
   前記受光面を部分的に覆う遮光部を有するインデックス格子を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光電式エンコーダ。
4. 前記受光チップは、
   導電性の前記遮光部の下でこの遮光部に接続されると共に前記受光面とコンタクトしているコンタクト部と、
   前記遮光部と接続された配線と、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の光電式エンコーダ。
5. 前記複数の受光素子は、前記測定軸と直交する方向に沿って配置されており、
   前記受光面の前記測定軸と直交する方向のサイズは、前記アレイの端部に配置された受光素子のほうが前記アレイの中央部に配置された受光素子よりも小さくされている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
6. 前記複数の受光素子により、セット毎に受光素子のサイズが異なる複数のセットが構成されており、
   各セットを構成する受光素子は、同じピッチで連続して配置されていると共に位相の異なる複数の光信号を検出する受光素子を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダ。
7. 各セットにおいて、前記受光面の前記測定軸方向のサイズが同じにされており、
   前記アレイの端部に配置されたセットは、前記アレイの中央部に配置されたセットに比べて、前記受光面の前記測定軸方向のサイズが小さくされている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の光電式エンコーダ。
8. 前記複数のセットのうち、前記アレイの端部に配置されたセットと、前記アレイの中央部に配置されたセットと、の間にある前記アレイの中間部に配置されたセットにおいて、受光素子のサイズは、前記アレイの端部のセットのそれよりも大きく、かつ前記アレイの中央部のセットのそれよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項６に記載の光電式エンコーダ。
9. 各セットにおいて、前記受光面の前記測定軸方向のサイズが同じにされており、
   前記アレイの中間部に配置されたセットにおいて、前記受光面の前記測定軸方向のサイズは、前記アレイの端部のセットのそれよりも大きく、かつ前記アレイの中央部のセットのそれよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項８に記載の光電式エンコーダ。
10. 前記アレイの面上における光強度分布が原因となる光強度の変化量が各セット上で一定になるように前記複数のセットのサイズをそれぞれ設定する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の光電式エンコーダ。
11. 光源と、
    前記光源からの光が照射される光学格子を含むスケールと、
    前記光源からの光が前記光学格子を介して照射されると共に、前記スケールに対して測定軸方向に相対移動可能な受光チップと、
    前記受光チップ上の測定軸方向及び測定軸方向に垂直な方向に沿ってアレイ状に配置された複数の受光素子と、
    前記複数の受光素子のそれぞれの前面に配置された複数のインデックス格子と、
    を備え、
    前記複数のインデックス格子は、前記相対移動することにより前記複数の受光素子から位相の異なる複数の光信号が出力されるように、互いに測定軸方向に沿って所定オフセット配置されている、
    ことを特徴とする光電式エンコーダ。
12. 同じ位相の光信号を受光する前記受光素子が前記測定軸に対して斜めに配置されていると共に異なる位相の光信号を受光する前記受光素子が前記測定軸の斜め方向に周期的に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光電式エンコーダ。
13. 測定軸方向に垂直な方向のサイズは、前記アレイの端部に配置された受光素子のほうが前記アレイの中央部に配置された受光素子よりも小さくされている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光電式エンコーダ。

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