JP2007071634A - Photoelectric encoder - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a photoelectric encoder for detecting the relative displacement amount and direction of an object.
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。 In various machine tools and measuring devices, photoelectric encoders that detect the displacement of two members that move relative to each other are used. This photoelectric encoder irradiates a light beam emitted from a light emitting element such as an LED toward a scale, receives a light beam transmitted, diffracted or reflected by the scale by a light receiving element such as a photodiode, and receives the light beam. The displacement amount and direction of the object are detected based on the state. Due to the demand for miniaturization of devices on which photoelectric encoders are mounted, there is a strong demand for miniaturization of photoelectric encoders.
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。 However, when the photoelectric encoder is miniaturized, it is difficult to prevent the incidence of light other than measurement light for detecting displacement (hereinafter referred to as “stray light”) such as diffusely reflected light and leaked light. Thus, there is a problem that the detection accuracy is deteriorated. For example, in a photoelectric encoder having an origin detection system, the origin detection system has a light source and a light receiving element that are different from the displacement detection system. When light from the light source for origin detection is incident on the light receiving element of the displacement detection system, it becomes noise or DC offset in the displacement detection system and causes deterioration in detection accuracy.
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。
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。 An object of the present invention is to provide a photoelectric encoder capable of reliably blocking stray light without complicating the manufacturing process and having high detection accuracy.
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。 In order to achieve the above object, a photoelectric encoder according to the present invention includes a main scale having a scale lattice formed along a measurement axis, and the scale is arranged to be movable in the measurement axis direction with respect to the main scale. A sensor head that reads a grating, and the sensor head includes a light source that irradiates the scale grating with measurement light, and a light receiving unit that receives light from the scale grating and outputs a displacement signal. Is a light receiving element array formed by forming light receiving elements on the substrate surface at a predetermined pitch, a transparent substrate formed on the substrate surface, and each of the light receiving elements arranged on the transparent substrate at a predetermined pitch and in the gap And a light shielding film formed by patterning the metal wiring layer so that the angle with respect to the angle corresponds to the incident angle of light from the scale grating. To.
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。 In this photoelectric encoder, the light shielding film is formed in a plurality of stages, and is patterned so that the gap in each of the stages is an angle corresponding to the incident angle of light from the scale grating. Can be configured. In this case, the stray light shielding effect can be further enhanced. The light shielding film may also serve as a signal wiring connected to the light receiving element array. In this case, the signal wirings that overlap in the same direction may be electrically connected to each other.
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。 According to the present invention, the angle of the gap of the light shielding film with respect to each of the light receiving elements is formed by a normal semiconductor manufacturing process so as to correspond to the incident angle of light from the scale grating, thereby complicating the manufacturing process. Therefore, it is possible to provide a photoelectric encoder that can reliably block stray light and has high detection accuracy.
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。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[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。
First Embodiment FIG. 1 shows the configuration of a photoelectric encoder according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view of a reflective photoelectric encoder according to this embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view in the measurement axis X direction. The photoelectric encoder includes a
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。
The
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。
The light
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。
Details of the structure of the light
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。
The
[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。
[Second Embodiment] FIG. 3 shows a photoelectric encoder according to a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of the structure of the light receiving
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。
In this embodiment, the
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。 The light-shielding film can be formed not in two stages as shown in FIG. 3, but in three or more stages. In this way, by forming the light shielding film over a plurality of stages, the possibility of stray light entering the photodiode PDi can be further reduced.
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。
As shown in FIG. 4, the
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。
Further, as shown in FIG. 5, the
[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。
[Third Embodiment] Next, a photoelectric encoder according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. Constituent members that are the same as in the above embodiment are given the same reference numerals in the drawings, and detailed descriptions thereof are omitted. In this embodiment, the overall configuration of the photoelectric encoder is substantially the same as that of the first embodiment. However, in this embodiment, the index grating 22 is formed at a position displaced in the Y direction perpendicular to the measurement axis X, and the
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。
FIG. 7 shows the configuration of the light
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。
As shown in FIG. 7A, the
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。 Although the embodiments of the invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications, substitutions, and the like are possible without departing from the spirit of the invention. For example, the main scale having a reflective scale grating has been described in the above embodiment, but the present invention can also be applied to those employing a transmissive scale grating. In the above embodiment, an encoder that detects a one-dimensional displacement amount has been described, but it goes without saying that the present invention is applicable to an encoder that detects a two-dimensional position.
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。
In the above embodiment, the
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。
DESCRIPTION OF
27, 28 ... mirror, 31 ... silicon substrate, PDi ... photodiode, 32, 33 ... silicon oxide film, 34, 35, 36 ... light shielding film, V1 ... contact.
Claims (6)
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。 A main scale with a scale grid formed along the measurement axis;
A sensor head which is arranged so as to be movable in the measurement axis direction with respect to the main scale and reads the scale grid,
The sensor head is
A light source for irradiating the scale grating with measurement light;
A light receiving unit that receives light from the scale grating and outputs a displacement signal;
The light receiving unit is
A light receiving element array formed by forming light receiving elements on a substrate surface at a predetermined pitch;
A transparent substrate formed on the substrate surface;
A light-shielding film formed on the transparent substrate by patterning a metal wiring layer so that an angle of each gap with respect to each of the light-receiving elements corresponds to an incident angle of light from the scale grating; A photoelectric encoder characterized by comprising:
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。 The main scale further includes an origin detection pattern indicating an origin position,
The photoelectric encoder according to claim 1, wherein the sensor head further includes an origin detection light receiving element for detecting the origin detection pattern.
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