JP3589621B2 - 光電式エンコーダ及びそのセンサヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光電式エンコーダに係り、特に反射型の光電式エンコーダにおけるセンサヘッドの構造及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３格子システムの光電式エンコーダは、光源側にスケール照射光を変調する第１の光学格子（光源側インデックス格子）、スケール上にはスケール格子を構成する第２の光学格子、受光側にはスケールからの光の異なる位相成分を変位信号として出力するための第３の光学格子（受光側インデックス格子）を備えて構成される。受光側に、インデックス格子を兼ねて所定ピッチの受光素子アレイを用いる方式も用いられている。
【０００３】
これらの光電式エンコーダにおいて、スケールを反射型として、光源部と受光部をスケールの一方側にセンサヘッドとしてまとめると、光源側インデックス格子と受光素子アレイを共通の基板に形成することができ、小型化や製造の容易さの点で好ましい。この様な反射型の光電式エンコーダにおいて、特に小型化に有利な構造として、出願人は先に、受光素子アレイとインデックス格子を互いにオーバーラップさせた状態に配列形成して垂直光入射方式としたエンコーダを提案している（特願平９−５１９９８号）。この方式により、微細スケールの光電式エンコーダが得られ、またエアギャップを小さくしてうねりの影響を低減することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一つのセンサ基板に受光素子アレイとインデックス格子とを互いに重なる領域をもって形成すると、センサ基板の構造は複雑になる。また、受光素子アレイの製造工程と、これとは独立したインデックス格子の形成工程を用いるとすると、製造工程も複雑になる。
【０００５】
この発明は、上述した先願の思想を発展させた、小型で高性能の光電式エンコーダを提供すること、及びその様な光電式エンコーダのセンサヘッドの製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおいて、前記センサヘッドは、透明基板と、この透明基板上に形成され、位相の異なる複数の変位信号を出力するための各相毎に複数本の受光素子を含んで所定間隔をおいて配列された複数の受光素子群と、前記透明基板の前記複数の受光素子群の間に形成されたスケール照射光を変調するためのインデックス格子と、前記複数の受光素子群において隣り合う受光素子の間を埋めるように前記透明基板上に形成された層間絶縁膜とを有し、前記各受光素子群は、光電変換領域を含む半導体層と、複数本の受光素子の前記半導体層が連続する連結部と、前記透明基板の前記スケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、前記透明電極上に形成された前記半導体層上に形成された金属電極と、各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを有し、前記インデックス格子は、前記受光素子群の金属電極及び金属配線の少なくとも一方と同じ材料膜をパターニングして作られていることを特徴とする。
【０００７】
この発明によると、光電式エンコーダのセンサヘッドは、透明基板に受光素子群とインデックス格子とが交互に配列された状態に形成されたセンサ基板を用いて構成される。このセンサ基板構造は、受光素子群とインデックス格子の領域が重ならないから、構造が簡単である。従って、小型の反射型エンコーダを得ることができる。しかも受光素子群に用いられる金属電極、金属配線の少なくとも一方と同じ材料を用いてインデックス格子を形成することができるから、センサヘッドの製造工程も簡単になる。
【０００８】
この発明において、各受光素子群は例えば、透明基板のスケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、この透明電極上に形成された、光電変換領域を含む半導体層と、この半導体層上に形成された金属電極と、各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを備えて構成される。
【０００９】
このとき、各受光素子群における複数本の受光素子の半導体層は互いに分離されていてもよいし、或いは複数本の受光素子の半導体層が連続する連結部を有する構造としてもよい。特に後者の場合、出力信号線を連結部にコンタクトさせることにより、低抵抗のコンタクトが可能になる。
【００１０】
またこの発明において、複数の受光素子群とインデックス格子は、測定軸方向に交互に配列されてもよいし、測定軸と直交する方向に交互に配列されるようにしてもよい。
更に、複数の受光素子群とインデックス格子の測定軸方向の配列位相を、測定軸と直交する方向に、スケール格子のピッチの整数倍でステップ的にシフトさせることもできる。これにより、スケール幅方向の照射強度のばらつきの影響を低減することができる。
この発明は、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおいて、前記センサヘッドは、透明基板と、この透明基板上に形成され、位相の異なる複数の変位信号を出力するための各相毎に複数本の受光素子を含んで所定間隔をおいて配列された複数の受光素子群と、前記透明基板の前記複数の受光素子群の間に形成されたスケール照射光を変調するためのインデックス格子とを有し、前記各受光素子群は、前記透明基板の前記スケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、この透明電極上に形成された、光電変換領域を含む半導体層と、この半導体層上に形成された金属電極と、各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを有し、前記インデックス格子は、前記受光素子群の金属電極及び金属配線の少なくとも一方と同じ材料膜をパターニングして作られていることを特徴とする。
【００１１】
この発明はまた、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおける、前記センサヘッドの製造方法であって、透明基板に透明電極を形成する工程と、前記透明電極上に光電変換領域を含む半導体層を形成する工程と、前記半導体層に金属電極膜を形成する工程と、前記金属電極膜と半導体層の積層膜をパターニングして、それぞれ同相の複数本ずつの受光素子を含む異なる位相の複数の受光素子群を形成すると同時に、各受光素子群の間に前記金属電極膜によるインデックス格子を形成する工程と、前記受光素子群とインデックス格子が形成された基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に前記各受光素子群毎に複数の受光素子を共通接続する出力信号線となる金属配線を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
この発明は更に、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおける、前記センサヘッドの製造方法であって、透明基板に透明電極を形成する工程と、前記透明電極上に光電変換領域を含む半導体層を形成する工程と、前記半導体層に金属電極膜を形成する工程と、前記金属電極膜と半導体層の積層膜をパターニングして、それぞれ同相の複数本ずつの受光素子を含む異なる位相の複数の受光素子群を形成する工程と、前記受光素子群が形成された基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に金属配線膜を形成し、この金属配線膜をパターニングして前記各受光素子群毎に複数の受光素子を共通接続する出力信号線と同時に各受光素子群の間にインデックス格子を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
図１Ａは、この発明の実施の形態による反射型の光電式エンコーダを示す。エンコーダは、反射型のスケール１と、これに対向配置されるセンサヘッド４とから構成される。スケール１は、基板１０に測定軸ｘに沿ってピッチλで反射型のスケール格子１１が形成されている。センサヘッド４は、照射光源２とセンサ基板３とから構成され、測定軸ｘ方向に相対移動可能となっている。
【００１４】
センサ基板３は、ガラス基板等の透明基板３０と、この透明基板３０のスケール１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５（５ａ，５ｂ，５ａｂ，５ｂｂ）と、各受光素子群５の間に形成された、照射光を変調するためのインデックス格子６とを有する。受光素子群５とインデックス格子６とは、この例ではスケール１の測定軸ｘ方向に交互に配置されている。照射光源２は、この様にセンサ基板３上に分散的に配置されたインデックス格子６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５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５はそれぞれ同相の複数本の受光素子（この例ではフォトダイオード）ＰＤを含んで構成されている。
【００１５】
なお実際のセンサ基板３では、複数の受光素子群５とインデックス格子６は、図１Ｂ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。
【００１６】
図２は、センサ基板３の平面図であり、図３はそのＡ−Ａ’断面図である。透明基板３０には、各受光素子群５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３２，ｉ型半導体層３３，ｎ型半導体層３４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。各フォトダイオードＰＤのｎ型層３４には金属電極３５が形成されている。各受光素子群５の中の複数本のフォトダイオードＰＤの金属電極３５を共通接続するように、出力信号線となる金属配線３７が形成されている。
【００１７】
半導体層３２，３３，３４には好ましくはアモルファスシリコンを用いるが、ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ等の他の半導体層を用いることもできる。また、フォトダイオードは、ｐｉｎ接合構造の他、ｐｎ接合構造であってもよい。
【００１８】
透明基板３０のインデックス格子６の領域には、図３に示すように受光素子群５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３５が、インデックス格子６の不透過部としてパターニングされている。
【００１９】
インデックス格子６は、受光素子群５に挟まれる形で分散的に形成される。インデックス格子６の格子ピッチは、スケール１のスケール格子ピッチλと同じ（或いはより一般的にはλの整数倍）とし、受光素子群５を間に挟んで分散されるインデックス格子６の配列ピッチＰ１は、Ｐ１＝ｎλ（ｎは正の整数）とする。また受光素子群５に含まれる複数本（図２及び図３の例は、４本）のフォトダイオードＰＤは同相であるから、ピッチがλ（或いはより一般的にはλの整数倍）とする。受光素子群５の配列ピッチＰ２は、Ｐ２＝（ｍ＋１／４）λ（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。
【００２０】
なお、受光素子群５の配列ピッチＰ２は、４相出力を得るためには、より一般的には、Ｐ２＝（ｍ＋Ｍ／４）λ（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２７０°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５の配列ピッチＰ２は、Ｐ２＝（ｍ＋１／３）λ（ｍは正の整数）とすればよい。
【００２１】
この様にこの実施の形態では、センサ基板３には、受光素子群５とインデックス格子６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５に用いられる金属電極３５の材料膜をそのままインデックス格子６に利用することができる。
【００２２】
センサ基板３の製造工程を具体的に説明すれば、次のようになる。透明基板３０にまず、透明電極３１を全面に形成し、これをリソグラフィ工程を経て選択エッチングして受光素子群５の領域のみに残す。次いで、ｐ型、ｉ型、ｎ型の半導体層３２，３３，３４を順次堆積し、更にこの上に金属電極３５を堆積する。これらの積層膜をリソグラフィ工程を経て順次選択エッチングして、フォトダイオードＰＤを形成する。このときフォトダイオードＰＤの金属電極３５と同じ金属材料膜によって、インデックス格子６を形成する。
【００２３】
この後、基板全面を層間絶縁膜３６で覆う。このとき必要に応じて、ＣＭＰによる平坦化処理を行う。そして、層間絶縁膜３６にコンタクト孔を開け、出力信号線となる金属配線３７を形成する。金属配線３７の上は更にＰＳＧ膜等による保護膜（パシベーション膜）３８で覆う。保護膜３８には、図示しないが配線パッドを露出させる開口を形成する。
【００２４】
この製造工程では、マスク工程は次の５工程で済む。
（１）透明電極３１のパターニング
（２）半導体層３３−３４と金属電極３５の積層膜パターニング
（３）層間絶縁膜３６のコンタクト孔形成
（４）金属配線３７のパターニング
（５）保護膜３８の配線パッド開口
ちなみに、インデックス格子を受光素子群とは独立に形成しようとすると、マスク工程は７工程必要となる。
【００２５】
以上のようにこの実施の形態によると、センサ基板の受光素子群とインデックス格子とを、金属膜を共通に利用して、互いにオーバーラップしないように交互に配列している。これにより、センサ基板の構造は簡単になり、小型の反射型エンコーダが得られる。また製造工程はマスク工程数が少なく、簡単である。
【００２６】
図４は、別の実施の形態によるセンサ基板３の図３に対応する断面を示している。この構造では、インデックス格子６の領域で半導体層が完全に除去され、ダミーのフォトダイオードがない。インデックス格子６は、金属配線３７と同じ材料膜のパターニングによって形成している。この場合も、製造工程は先の実施の形態と同様であり、マスク工程は５工程で済む。
【００２７】
図３の構造と図４の構造の組み合わせも可能である。即ち図３に示すように、インデックス格子６の領域にダミー素子であるフォトダイオードを形成すると同時に、図４に示すように金属配線３７を用いてインデックス格子６を形成する。この場合、ダミー素子の金属電極２５とその上の金属配線３７の重なりによりインデックス格子が決定されることになる。
【００２８】
図５は、他の実施の形態によるセンサ基板３についての、図２に対応する平面図である。このセンサ基板３においては、各受光素子群５における複数本のフォトダイオードＰＤが、連結部５１で半導体層及び上部電極が連続するようにパターニングされている。
この様な連結部５１を設けて、この連結部５１を金属配線３７のコンタクト部として利用することにより、複数本のフォトダイオードＰＤに対する低抵抗の配線接続が可能になる。
【００２９】
図６Ａは、更に他の実施の形態によるセンサ基板３の平面図を、図２及び図５に対応させて示している。この実施の形態においては、複数の受光素子群５とインデックス格子６の測定軸ｘ方向の配列位相を、測定軸ｘと直交する方向に、スケール格子１１のピッチλで（より一般的にはλの整数倍で）ステップ的にシフトさせている。換言すれば、図５に示した受光素子群５とインデックス格子６の配列を１ユニットとして、測定軸ｘと直交する方向に複数ユニットを、それらのユニットの間が順次測定軸ｘ方向にλだけ位相がずれた状態で配置したものということができる。
【００３０】
即ち、図６Ａの場合、受光素子群５ａ，５ｂ，…が、それぞれ３分割された受光素子群（５ａ１〜５ａ３），（５ｂ１〜５ｂ３），…として、同様にインデックス格子６が３個のインデックス格子（６１〜６３）として、測定軸ｘと直交する方向に配置されている。この場合、３つのユニットは、同相であり、従って受光素子群６の金属配線３７は、それらの３つのユニットに共通に測定軸ｘに対して傾斜して配設される。
【００３１】
この実施の形態の場合も、実際の受光素子群５とインデックス格子６の配列は、図６Ｂ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。
【００３２】
この実施の形態のセンサ基板３の製造工程は、先の実施の形態と同様であり、受光素子群５の上部電極金属又は配線金属を用いてインデックス格子６を形成する。この様なレイアウトを用いると、光源の照射光強度が測定軸ｘと直交する方向にばらつきがある場合にも、そのばらつきの影響を低減することができる。
【００３３】
図７Ａは更に別の実施の形態による光電式エンコーダを図１Ａに対応させて示している。スケール１は図１の実施の形態と同じである。センサヘッドのセンサ基板３は、この実施の形態の場合には、複数の受光素子群５とインデックス格子６とが、測定軸ｘと直交する方向に交互に配列されている。図８は、そのセンサ基板３の平面図を拡大して示している。
【００３４】
各受光素子群５は、先の各実施の形態と同様に複数本のフォトダイオードＰＤを含む。図８の例では、連続して形成される複数本のフォトダイオードＰＤを１ユニットとして、測定軸方向に複数ユニットの受光素子群が配列されるようにしている。しかし、測定軸ｘ方向に並ぶフォトダイオードＰＤは全て同相であるから、ユニットを構成することなく、図２の例のように個々に分離されたフォトダイオードＰＤの配列としてもよい。
【００３５】
測定軸ｘ方向に並ぶフォトダイオードＰＤは、その上部金属電極が金属配線３７により共通接続される。測定軸ｘと直交する方向に配列された受光素子群５（５ａ，５ｂ，５ａｂ，５ｂｂ）の間は、図８に示したように位相がλ／４ずつずれている。或いはこの位相ずれは、３λ／４とすることができる。各受光素子群５の間に配置されたインデックス格子６は全て同じ位相を持つ。これにより各受光素子群５から、Ａ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相の出力変位信号が得られる。
【００３６】
この実施の形態の場合も、実際の受光素子群５とインデックス格子６の配列は、図７Ｂ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。
【００３７】
この実施の形態のセンサ基板も先の実施の形態と同様の工程で製造することができ、受光素子群５の上部電極金属又は配線金属を用いてインデックス格子６を形成する。従ってこの実施の形態によっても、先の実施の形態と同様に簡単な工程で小型の反射型エンコーダを作ることができる。
【００３８】
なおこの発明の光電式エンコーダにおいて、照射光源は、センサ基板の複数箇所に分散配置されたインデックス格子をほぼ均等に垂直照射できるものであればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、光電式エンコーダのセンサヘッドは、透明基板に受光素子群とインデックス格子とが交互に配列された状態に形成されたセンサ基板を用いて構成される。このセンサ基板構造は、受光素子群とインデックス格子の領域が重ならないから、構造が簡単である。従って、小型の反射型エンコーダを得ることができる。しかも受光素子群に用いられる金属電極又は金属配線と同じ材料を用いてインデックス格子を形成することができるから、センサヘッドの製造工程も簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】この発明の実施の形態による光電式エンコーダの構成を示す分解斜視図である。
【図１Ｂ】同実施の形態の受光素子群とインデックス格子の複数セットの配置構成を示す図である。
【図２】同実施の形態のセンサ基板の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】別の実施の形態によるセンサ基板の図３に対応する断面図である。
【図５】別の実施の形態によるセンサ基板の平面図である。
【図６Ａ】別の実施の形態によるセンサ基板の平面図である。
【図６Ｂ】同実施の形態の受光素子群とインデックス格子の複数セットの配置構成を示す図である。
【図７Ａ】別の実施の形態による光電式エンコーダを示す分解斜視図である。
【図７Ｂ】同実施の形態の受光素子群とインデックス格子の複数セットの配置構成を示す図である。
【図８】同実施の形態のセンサ基板の拡大平面図である。
【符号の説明】
１…スケール、２…照射光源、３…センサ基板、４…センサヘッド、５（５ａ，４ｂ，５ａｂ，５ｂｂ）…受光素子群、６…インデックス格子、３０…透明基板、３１…透明電極、３２…ｐ型半導体層、３３…ｉ型半導体層、３４…ｎ型半導体層、３５…金属電極、３６…層間絶縁膜、３７…金属配線、３８…保護膜、ＰＤ…フォトダイオード。
【発明の属する技術分野】
この発明は、光電式エンコーダに係り、特に反射型の光電式エンコーダにおけるセンサヘッドの構造及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３格子システムの光電式エンコーダは、光源側にスケール照射光を変調する第１の光学格子（光源側インデックス格子）、スケール上にはスケール格子を構成する第２の光学格子、受光側にはスケールからの光の異なる位相成分を変位信号として出力するための第３の光学格子（受光側インデックス格子）を備えて構成される。受光側に、インデックス格子を兼ねて所定ピッチの受光素子アレイを用いる方式も用いられている。
【０００３】
これらの光電式エンコーダにおいて、スケールを反射型として、光源部と受光部をスケールの一方側にセンサヘッドとしてまとめると、光源側インデックス格子と受光素子アレイを共通の基板に形成することができ、小型化や製造の容易さの点で好ましい。この様な反射型の光電式エンコーダにおいて、特に小型化に有利な構造として、出願人は先に、受光素子アレイとインデックス格子を互いにオーバーラップさせた状態に配列形成して垂直光入射方式としたエンコーダを提案している（特願平９−５１９９８号）。この方式により、微細スケールの光電式エンコーダが得られ、またエアギャップを小さくしてうねりの影響を低減することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一つのセンサ基板に受光素子アレイとインデックス格子とを互いに重なる領域をもって形成すると、センサ基板の構造は複雑になる。また、受光素子アレイの製造工程と、これとは独立したインデックス格子の形成工程を用いるとすると、製造工程も複雑になる。
【０００５】
この発明は、上述した先願の思想を発展させた、小型で高性能の光電式エンコーダを提供すること、及びその様な光電式エンコーダのセンサヘッドの製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおいて、前記センサヘッドは、透明基板と、この透明基板上に形成され、位相の異なる複数の変位信号を出力するための各相毎に複数本の受光素子を含んで所定間隔をおいて配列された複数の受光素子群と、前記透明基板の前記複数の受光素子群の間に形成されたスケール照射光を変調するためのインデックス格子と、前記複数の受光素子群において隣り合う受光素子の間を埋めるように前記透明基板上に形成された層間絶縁膜とを有し、前記各受光素子群は、光電変換領域を含む半導体層と、複数本の受光素子の前記半導体層が連続する連結部と、前記透明基板の前記スケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、前記透明電極上に形成された前記半導体層上に形成された金属電極と、各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを有し、前記インデックス格子は、前記受光素子群の金属電極及び金属配線の少なくとも一方と同じ材料膜をパターニングして作られていることを特徴とする。
【０００７】
この発明によると、光電式エンコーダのセンサヘッドは、透明基板に受光素子群とインデックス格子とが交互に配列された状態に形成されたセンサ基板を用いて構成される。このセンサ基板構造は、受光素子群とインデックス格子の領域が重ならないから、構造が簡単である。従って、小型の反射型エンコーダを得ることができる。しかも受光素子群に用いられる金属電極、金属配線の少なくとも一方と同じ材料を用いてインデックス格子を形成することができるから、センサヘッドの製造工程も簡単になる。
【０００８】
この発明において、各受光素子群は例えば、透明基板のスケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、この透明電極上に形成された、光電変換領域を含む半導体層と、この半導体層上に形成された金属電極と、各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを備えて構成される。
【０００９】
このとき、各受光素子群における複数本の受光素子の半導体層は互いに分離されていてもよいし、或いは複数本の受光素子の半導体層が連続する連結部を有する構造としてもよい。特に後者の場合、出力信号線を連結部にコンタクトさせることにより、低抵抗のコンタクトが可能になる。
【００１０】
またこの発明において、複数の受光素子群とインデックス格子は、測定軸方向に交互に配列されてもよいし、測定軸と直交する方向に交互に配列されるようにしてもよい。
更に、複数の受光素子群とインデックス格子の測定軸方向の配列位相を、測定軸と直交する方向に、スケール格子のピッチの整数倍でステップ的にシフトさせることもできる。これにより、スケール幅方向の照射強度のばらつきの影響を低減することができる。
この発明は、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおいて、前記センサヘッドは、透明基板と、この透明基板上に形成され、位相の異なる複数の変位信号を出力するための各相毎に複数本の受光素子を含んで所定間隔をおいて配列された複数の受光素子群と、前記透明基板の前記複数の受光素子群の間に形成されたスケール照射光を変調するためのインデックス格子とを有し、前記各受光素子群は、前記透明基板の前記スケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、この透明電極上に形成された、光電変換領域を含む半導体層と、この半導体層上に形成された金属電極と、各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを有し、前記インデックス格子は、前記受光素子群の金属電極及び金属配線の少なくとも一方と同じ材料膜をパターニングして作られていることを特徴とする。
【００１１】
この発明はまた、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおける、前記センサヘッドの製造方法であって、透明基板に透明電極を形成する工程と、前記透明電極上に光電変換領域を含む半導体層を形成する工程と、前記半導体層に金属電極膜を形成する工程と、前記金属電極膜と半導体層の積層膜をパターニングして、それぞれ同相の複数本ずつの受光素子を含む異なる位相の複数の受光素子群を形成すると同時に、各受光素子群の間に前記金属電極膜によるインデックス格子を形成する工程と、前記受光素子群とインデックス格子が形成された基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に前記各受光素子群毎に複数の受光素子を共通接続する出力信号線となる金属配線を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
この発明は更に、測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおける、前記センサヘッドの製造方法であって、透明基板に透明電極を形成する工程と、前記透明電極上に光電変換領域を含む半導体層を形成する工程と、前記半導体層に金属電極膜を形成する工程と、前記金属電極膜と半導体層の積層膜をパターニングして、それぞれ同相の複数本ずつの受光素子を含む異なる位相の複数の受光素子群を形成する工程と、前記受光素子群が形成された基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に金属配線膜を形成し、この金属配線膜をパターニングして前記各受光素子群毎に複数の受光素子を共通接続する出力信号線と同時に各受光素子群の間にインデックス格子を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
図１Ａは、この発明の実施の形態による反射型の光電式エンコーダを示す。エンコーダは、反射型のスケール１と、これに対向配置されるセンサヘッド４とから構成される。スケール１は、基板１０に測定軸ｘに沿ってピッチλで反射型のスケール格子１１が形成されている。センサヘッド４は、照射光源２とセンサ基板３とから構成され、測定軸ｘ方向に相対移動可能となっている。
【００１４】
センサ基板３は、ガラス基板等の透明基板３０と、この透明基板３０のスケール１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５（５ａ，５ｂ，５ａｂ，５ｂｂ）と、各受光素子群５の間に形成された、照射光を変調するためのインデックス格子６とを有する。受光素子群５とインデックス格子６とは、この例ではスケール１の測定軸ｘ方向に交互に配置されている。照射光源２は、この様にセンサ基板３上に分散的に配置されたインデックス格子６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５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５はそれぞれ同相の複数本の受光素子（この例ではフォトダイオード）ＰＤを含んで構成されている。
【００１５】
なお実際のセンサ基板３では、複数の受光素子群５とインデックス格子６は、図１Ｂ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。
【００１６】
図２は、センサ基板３の平面図であり、図３はそのＡ−Ａ’断面図である。透明基板３０には、各受光素子群５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３２，ｉ型半導体層３３，ｎ型半導体層３４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。各フォトダイオードＰＤのｎ型層３４には金属電極３５が形成されている。各受光素子群５の中の複数本のフォトダイオードＰＤの金属電極３５を共通接続するように、出力信号線となる金属配線３７が形成されている。
【００１７】
半導体層３２，３３，３４には好ましくはアモルファスシリコンを用いるが、ＺｎＳｅ，ＣｄＳｅ等の他の半導体層を用いることもできる。また、フォトダイオードは、ｐｉｎ接合構造の他、ｐｎ接合構造であってもよい。
【００１８】
透明基板３０のインデックス格子６の領域には、図３に示すように受光素子群５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３５が、インデックス格子６の不透過部としてパターニングされている。
【００１９】
インデックス格子６は、受光素子群５に挟まれる形で分散的に形成される。インデックス格子６の格子ピッチは、スケール１のスケール格子ピッチλと同じ（或いはより一般的にはλの整数倍）とし、受光素子群５を間に挟んで分散されるインデックス格子６の配列ピッチＰ１は、Ｐ１＝ｎλ（ｎは正の整数）とする。また受光素子群５に含まれる複数本（図２及び図３の例は、４本）のフォトダイオードＰＤは同相であるから、ピッチがλ（或いはより一般的にはλの整数倍）とする。受光素子群５の配列ピッチＰ２は、Ｐ２＝（ｍ＋１／４）λ（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。
【００２０】
なお、受光素子群５の配列ピッチＰ２は、４相出力を得るためには、より一般的には、Ｐ２＝（ｍ＋Ｍ／４）λ（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２７０°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５の配列ピッチＰ２は、Ｐ２＝（ｍ＋１／３）λ（ｍは正の整数）とすればよい。
【００２１】
この様にこの実施の形態では、センサ基板３には、受光素子群５とインデックス格子６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５に用いられる金属電極３５の材料膜をそのままインデックス格子６に利用することができる。
【００２２】
センサ基板３の製造工程を具体的に説明すれば、次のようになる。透明基板３０にまず、透明電極３１を全面に形成し、これをリソグラフィ工程を経て選択エッチングして受光素子群５の領域のみに残す。次いで、ｐ型、ｉ型、ｎ型の半導体層３２，３３，３４を順次堆積し、更にこの上に金属電極３５を堆積する。これらの積層膜をリソグラフィ工程を経て順次選択エッチングして、フォトダイオードＰＤを形成する。このときフォトダイオードＰＤの金属電極３５と同じ金属材料膜によって、インデックス格子６を形成する。
【００２３】
この後、基板全面を層間絶縁膜３６で覆う。このとき必要に応じて、ＣＭＰによる平坦化処理を行う。そして、層間絶縁膜３６にコンタクト孔を開け、出力信号線となる金属配線３７を形成する。金属配線３７の上は更にＰＳＧ膜等による保護膜（パシベーション膜）３８で覆う。保護膜３８には、図示しないが配線パッドを露出させる開口を形成する。
【００２４】
この製造工程では、マスク工程は次の５工程で済む。
（１）透明電極３１のパターニング
（２）半導体層３３−３４と金属電極３５の積層膜パターニング
（３）層間絶縁膜３６のコンタクト孔形成
（４）金属配線３７のパターニング
（５）保護膜３８の配線パッド開口
ちなみに、インデックス格子を受光素子群とは独立に形成しようとすると、マスク工程は７工程必要となる。
【００２５】
以上のようにこの実施の形態によると、センサ基板の受光素子群とインデックス格子とを、金属膜を共通に利用して、互いにオーバーラップしないように交互に配列している。これにより、センサ基板の構造は簡単になり、小型の反射型エンコーダが得られる。また製造工程はマスク工程数が少なく、簡単である。
【００２６】
図４は、別の実施の形態によるセンサ基板３の図３に対応する断面を示している。この構造では、インデックス格子６の領域で半導体層が完全に除去され、ダミーのフォトダイオードがない。インデックス格子６は、金属配線３７と同じ材料膜のパターニングによって形成している。この場合も、製造工程は先の実施の形態と同様であり、マスク工程は５工程で済む。
【００２７】
図３の構造と図４の構造の組み合わせも可能である。即ち図３に示すように、インデックス格子６の領域にダミー素子であるフォトダイオードを形成すると同時に、図４に示すように金属配線３７を用いてインデックス格子６を形成する。この場合、ダミー素子の金属電極２５とその上の金属配線３７の重なりによりインデックス格子が決定されることになる。
【００２８】
図５は、他の実施の形態によるセンサ基板３についての、図２に対応する平面図である。このセンサ基板３においては、各受光素子群５における複数本のフォトダイオードＰＤが、連結部５１で半導体層及び上部電極が連続するようにパターニングされている。
この様な連結部５１を設けて、この連結部５１を金属配線３７のコンタクト部として利用することにより、複数本のフォトダイオードＰＤに対する低抵抗の配線接続が可能になる。
【００２９】
図６Ａは、更に他の実施の形態によるセンサ基板３の平面図を、図２及び図５に対応させて示している。この実施の形態においては、複数の受光素子群５とインデックス格子６の測定軸ｘ方向の配列位相を、測定軸ｘと直交する方向に、スケール格子１１のピッチλで（より一般的にはλの整数倍で）ステップ的にシフトさせている。換言すれば、図５に示した受光素子群５とインデックス格子６の配列を１ユニットとして、測定軸ｘと直交する方向に複数ユニットを、それらのユニットの間が順次測定軸ｘ方向にλだけ位相がずれた状態で配置したものということができる。
【００３０】
即ち、図６Ａの場合、受光素子群５ａ，５ｂ，…が、それぞれ３分割された受光素子群（５ａ１〜５ａ３），（５ｂ１〜５ｂ３），…として、同様にインデックス格子６が３個のインデックス格子（６１〜６３）として、測定軸ｘと直交する方向に配置されている。この場合、３つのユニットは、同相であり、従って受光素子群６の金属配線３７は、それらの３つのユニットに共通に測定軸ｘに対して傾斜して配設される。
【００３１】
この実施の形態の場合も、実際の受光素子群５とインデックス格子６の配列は、図６Ｂ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。
【００３２】
この実施の形態のセンサ基板３の製造工程は、先の実施の形態と同様であり、受光素子群５の上部電極金属又は配線金属を用いてインデックス格子６を形成する。この様なレイアウトを用いると、光源の照射光強度が測定軸ｘと直交する方向にばらつきがある場合にも、そのばらつきの影響を低減することができる。
【００３３】
図７Ａは更に別の実施の形態による光電式エンコーダを図１Ａに対応させて示している。スケール１は図１の実施の形態と同じである。センサヘッドのセンサ基板３は、この実施の形態の場合には、複数の受光素子群５とインデックス格子６とが、測定軸ｘと直交する方向に交互に配列されている。図８は、そのセンサ基板３の平面図を拡大して示している。
【００３４】
各受光素子群５は、先の各実施の形態と同様に複数本のフォトダイオードＰＤを含む。図８の例では、連続して形成される複数本のフォトダイオードＰＤを１ユニットとして、測定軸方向に複数ユニットの受光素子群が配列されるようにしている。しかし、測定軸ｘ方向に並ぶフォトダイオードＰＤは全て同相であるから、ユニットを構成することなく、図２の例のように個々に分離されたフォトダイオードＰＤの配列としてもよい。
【００３５】
測定軸ｘ方向に並ぶフォトダイオードＰＤは、その上部金属電極が金属配線３７により共通接続される。測定軸ｘと直交する方向に配列された受光素子群５（５ａ，５ｂ，５ａｂ，５ｂｂ）の間は、図８に示したように位相がλ／４ずつずれている。或いはこの位相ずれは、３λ／４とすることができる。各受光素子群５の間に配置されたインデックス格子６は全て同じ位相を持つ。これにより各受光素子群５から、Ａ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相の出力変位信号が得られる。
【００３６】
この実施の形態の場合も、実際の受光素子群５とインデックス格子６の配列は、図７Ｂ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。
【００３７】
この実施の形態のセンサ基板も先の実施の形態と同様の工程で製造することができ、受光素子群５の上部電極金属又は配線金属を用いてインデックス格子６を形成する。従ってこの実施の形態によっても、先の実施の形態と同様に簡単な工程で小型の反射型エンコーダを作ることができる。
【００３８】
なおこの発明の光電式エンコーダにおいて、照射光源は、センサ基板の複数箇所に分散配置されたインデックス格子をほぼ均等に垂直照射できるものであればよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、光電式エンコーダのセンサヘッドは、透明基板に受光素子群とインデックス格子とが交互に配列された状態に形成されたセンサ基板を用いて構成される。このセンサ基板構造は、受光素子群とインデックス格子の領域が重ならないから、構造が簡単である。従って、小型の反射型エンコーダを得ることができる。しかも受光素子群に用いられる金属電極又は金属配線と同じ材料を用いてインデックス格子を形成することができるから、センサヘッドの製造工程も簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】この発明の実施の形態による光電式エンコーダの構成を示す分解斜視図である。
【図１Ｂ】同実施の形態の受光素子群とインデックス格子の複数セットの配置構成を示す図である。
【図２】同実施の形態のセンサ基板の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】別の実施の形態によるセンサ基板の図３に対応する断面図である。
【図５】別の実施の形態によるセンサ基板の平面図である。
【図６Ａ】別の実施の形態によるセンサ基板の平面図である。
【図６Ｂ】同実施の形態の受光素子群とインデックス格子の複数セットの配置構成を示す図である。
【図７Ａ】別の実施の形態による光電式エンコーダを示す分解斜視図である。
【図７Ｂ】同実施の形態の受光素子群とインデックス格子の複数セットの配置構成を示す図である。
【図８】同実施の形態のセンサ基板の拡大平面図である。
【符号の説明】
１…スケール、２…照射光源、３…センサ基板、４…センサヘッド、５（５ａ，４ｂ，５ａｂ，５ｂｂ）…受光素子群、６…インデックス格子、３０…透明基板、３１…透明電極、３２…ｐ型半導体層、３３…ｉ型半導体層、３４…ｎ型半導体層、３５…金属電極、３６…層間絶縁膜、３７…金属配線、３８…保護膜、ＰＤ…フォトダイオード。
Claims (4)
- 測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおいて、前記センサヘッドは、
透明基板と、
この透明基板上に形成され、位相の異なる複数の変位信号を出力するための各相毎に複数本の受光素子を含んで所定間隔をおいて配列された複数の受光素子群と、
前記透明基板の前記複数の受光素子群の間に形成されたスケール照射光を変調するためのインデックス格子と、
前記複数の受光素子群において隣り合う受光素子の間を埋めるように前記透明基板上に形成された層間絶縁膜とを有し、
前記各受光素子群は、
光電変換領域を含む半導体層と、
複数本の受光素子の前記半導体層が連続する連結部と、
前記透明基板の前記スケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、
前記透明電極上に形成された前記半導体層上に形成された金属電極と、
各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを有し、
前記インデックス格子は、前記受光素子群の金属電極及び金属配線の少なくとも一方と同じ材料膜をパターニングして作られている
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 - 測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおいて、前記センサヘッドは、
透明基板と、
この透明基板上に形成され、位相の異なる複数の変位信号を出力するための各相毎に複数本の受光素子を含んで所定間隔をおいて配列された複数の受光素子群と、
前記透明基板の前記複数の受光素子群の間に形成されたスケール照射光を変調するためのインデックス格子とを有し、
前記各受光素子群は、
前記透明基板の前記スケールと対向しない側の表面に形成された透明電極と、
この透明電極上に形成された、光電変換領域を含む半導体層と、
この半導体層上に形成された金属電極と、
各相毎に複数本の受光素子の金属電極を共通接続する出力信号線となる金属配線とを有し、
前記インデックス格子は、前記受光素子群の金属電極及び金属配線の少なくとも一方と同じ材料膜をパターニングして作られている
ことを特徴とする光電式エンコーダ。 - 測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおける、前記センサヘッドの製造方法であって、
透明基板に透明電極を形成する工程と、
前記透明電極上に光電変換領域を含む半導体層を形成する工程と、
前記半導体層に金属電極膜を形成する工程と、
前記金属電極膜と半導体層の積層膜をパターニングして、それぞれ同相の複数本ずつの受光素子を含む異なる位相の複数の受光素子群を形成すると同時に、各受光素子群の間に前記金属電極膜によるインデックス格子を形成する工程と、
前記受光素子群とインデックス格子が形成された基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に前記各受光素子群毎に複数本の受光素子を共通接続する出力信号線となる金属配線を形成する工程と
を有することを特徴とするセンサヘッドの製造方法。 - 測定軸に沿って反射型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方向に相対移動可能に対向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有する光電式エンコーダにおける、前記センサヘッドの製造方法であって、
透明基板に透明電極を形成する工程と、
前記透明電極上に光電変換領域を含む半導体層を形成する工程と、
前記半導体層に金属電極膜を形成する工程と、
前記金属電極膜と半導体層の積層膜をパターニングして、それぞれ同相の複数本ずつの受光素子を含む異なる位相の複数の受光素子群を形成する工程と、
前記受光素子群が形成された基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に金属配線膜を形成し、この金属配線膜をパターニングして前記各受光素子群毎に複数の受光素子を共通接続する出力信号線と同時に各受光素子群の間にインデックス格子を形成する工程と
を有することを特徴とするセンサヘッドの製造方法。
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