JP4350220B2 - 変位測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光電式エンコーダ等の変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電式エンコーダとして、受光素子をスケール格子との関係で所定ピッチでアレイ状に配列形成した受光素子アレイを用い、この受光素子アレイが受光側インデックス格子を兼ねるようにした方式が知られている。例えば、スケール格子ピッチＰに対して、受光素子アレイをＰ／４ピッチで少なくとも４個（１セット）配列形成すれば、９０°ずつ位相がずれたＡ，ＡＢ，Ｂ，ＢＢの４相変位信号を得ることができる。スケール格子のピッチＰが小さくなり、受光素子アレイをＰ／４で形成することが困難な場合には、例えば受光素子アレイの配列ピッチを３Ｐ／４にすればよい。これにより、受光素子アレイの配列順に、２７０°ずつ位相がずれたＡ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢの４相変位信号を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スケール格子ピッチがμｍレベルの小さいものになると、受光素子アレイの形成は容易ではない。特に、受光素子アレイを基板上に堆積したアモルファスシリコン等の半導体膜の加工により形成する場合、ライン／スペースが最小加工寸法に近い場合には、相間短絡等が発生し、歩留まりが低いものとなる。また、微細なライン／スペースの加工ができたとしても、スペースにゴミ等が付着しても短絡の原因となる。
【０００４】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、実質的に微細な配列ピッチを持つ受光素子アレイを余裕のあるライン／スペースの加工で実現して、歩留まり及び信頼性向上を図った光電式エンコーダを提供することを目的としている。この発明はまた、静電容量式、磁気式等のエンコーダにおいて、送信デバイス配列を実質的に微細ピッチの配列とした変位測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定軸に沿って所定ピッチのスケール格子が形成されたスケール部材と、このスケール部材に対してその測定軸方向に相対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有し、前記センサヘッドは、前記スケール部材に光を照射する光源と、前記スケール部材からの光を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光素子アレイとを備えた変位測定装置において、前記受光素子アレイは、基板と、この基板上に形成された第１層半導体薄膜により形成された第１の受光素子群と、この第１の受光素子群を覆う絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された第２層半導体薄膜により形成されて前記第１の受光素子群のスペースの透過光を受光する第２の受光素子群とを有し、前記第１の受光素子群は、前記スケール格子との関係で互いに９０°位相がずれたＡ相の変位信号とＢ相の変位信号を出力する複数個ずつの受光素子からなる第１グループと第２グループとからなり、前記第２の受光素子群は、前記第１の受光素子群の第１グループの範囲をカバーする受光面をもってＡ相の位相反転したＡＢ相の変位信号を出力する第１の受光素子と、前記第１の受光素子群の第２グループの範囲をカバーする受光面をもってＢ相の位相反転したＢＢ相の変位信号を出力する第２の受光素子とから構成されていることを特徴とする。
【０００６】
この発明によると、受光素子アレイは、基板上の異なる層の半導体薄膜を用いて、第１の受光素子群とそのスペース上に配置される第２の受光素子群とにより構成する。従って、第１及び第２の受光素子群のそれぞれのピッチに対して全体としては１／２ピッチの受光素子配列となるから、受光素子アレイのライン／スペース加工を余裕を持って行うことができる。これにより、光電式エンコーダの歩留まり及び信頼性向上が図られる。
【０００７】
この発明において具体的には、受光素子アレイの基板は透明基板であり、第１及び第２の受光素子群は、この透明基板のスケール部材に対向する面と反対側の面に積層形成される。またこの場合、第１及び第２の受光素子群はそれぞれ、前記透明基板側に共通電極となる透明導電膜が形成され、反対側に各端子電極が形成される。
【００１３】
この発明は更に、測定軸に沿って所定ピッチのスケール格子が形成されたスケール部材と、このスケール部材に対してその測定軸方向に相対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有し、前記センサヘッドは、前記スケール部材に光を照射する光源と、前記スケール部材からの光を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光素子アレイとを備えた変位測定装置において、前記受光素子アレイは、基板と、この基板上に形成されて前記スケール部材からの光を受光して光信号として導波する第１の導波路群と、この第１の導波路群を覆うクラッド層と、このクラッド層上に形成されて前記第１の導波路群のスペースの透過光を受光して光信号として導波する第２の導波路群とを有することを特徴とする。
【００１４】
即ちこの発明は、受光素子アレイを構成する受光素子が能動素子ではなく、光を受光して導波するだけの導波路である場合も有効である。この場合も、第１の導波路群と第２の導波路群とをクラッド層を挟んで１／２ピッチずれた状態で積層する構造とすることにより、全体として受光素子アレイのピッチを小さくすることが可能になる。
【００１５】
【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。
［実施の形態１］
図１（ａ）（ｂ）は、この発明の実施の形態１による光電式エンコーダの平面図とそのＡ−Ａ′断面図である。光電式エンコーダは、スケール部材１と、これに対して所定のギャップをもって対向して、スケール部材１の測定軸ｘに沿って相対移動可能に配置された、スケール格子を読み取るためのセンサヘッド２とから構成される。
【００１６】
スケール部材１は、ガラス等の基板１０に所定のピッチＰでスケール格子１１を配列形成して構成されている。具体的にこの実施の形態の場合、スケール部材１は反射型であり、スケール格子１１は、反射部と非反射部の配列により構成される。
センサヘッド２は、光源としてのＬＥＤ３と、このＬＥＤ３の出力光を変調してスケール部材１を照射するインデックススケール４と、スケール部材１からの反射光を受光して変位信号を出力する受光素子アレイ５とから構成される。
【００１７】
インデックススケール４はガラス等の透明基板に例えばスケール格子１１と同じピッチのインデックス格子４１を配列形成して構成されている。受光素子アレイ５は、ガラス等の透明基板５０上にアモルファスシリコン等の半導体薄膜により形成された受光素子５１が、スケール格子１１との関係で所定ピッチで配列されている。
【００１８】
図２（ａ）（ｂ）は、受光素子アレイ５の具体的な構成を示す平面図とそのＢ−Ｂ′断面図である。図示のように受光素子アレイ５は、透明基板５０上に、２層に分けて積層された第１の受光素子群５１ａと第２の受光素子群５１ｂとから構成されている。第１の受光素子群５１ａは、透明基板５０上に共通電極として形成されたＩＴＯ等の透明導電膜２１上に配列形成されたアモルファスシリコンのフォトダイオード２２である。各フォトダイオード２２は具体的には、基板５０側からｐ層，ｉ層及びｎ層の積層膜であり、その表面には端子電極２３が形成されている。端子電極２３はＮｉ電極である。
【００１９】
第１の受光素子群５１ａの製造工程は、次の通りである。まず基板５０上に透明導電膜２１を形成し、更にこの上にｐ層、ｉ層、ｎ層のアモルファスシリコン膜を順次堆積し、更にその表面にＮｉ膜を堆積する。次にリソグラフィ工程を経てＮｉ膜をパターン形成する。そして、形成されたＮｉ電極をマスクとしてアモルファスシリコンをエッチングすることにより、各フォトダイオードを分離する。
【００２０】
この様に形成された第１の受光素子群５１ａはシリコン酸化膜等の絶縁膜２４により覆う。好ましくは絶縁膜２４の表面は平坦化する。そしてこの絶縁膜２４上に再度共通電極となる透明導電膜２５を形成し、この上に第２の受光素子群５１ｂを構成するアモルファスシリコンのフォトダイオード２６を形成する。これらのフォトダイオード２６の表面にも端子電極２７が形成される。第２の受光素子群５１ｂの構造及び製法は、第１の受光素子群５１ａと同様である。第２の受光素子群５１ｂの表面は、パシベーション用の絶縁膜２８により覆われる。
【００２１】
この実施の形態において、受光素子アレイ５は、基板５０側からの光を受光する。即ち、第１の受光素子群５１ａには、スケール部材１からの反射光が基板５０を透過して入力される。第２の受光素子群５１ｂには、基板５０を透過し、第１の受光素子群５１ａのスペースを透過した光が入力される。
【００２２】
この実施の形態では、受光素子アレイ５は、４相の変位信号を出力するように、第１及び第２の受光素子群５１ａ及び５１ｂが所定ピッチで配列される。具体的にこの実施の形態の場合、第１の受光素子群５１ａは、スケール格子のピッチＰに対して、３Ｐ／２のピッチで配列され、第２の受光素子群５１ｂは、第１の受光素子群５１ａとは３Ｐ／４ピッチずれて３Ｐ／２ピッチで配列される。９０°ずつ位相がずれた４相の変位信号をＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相として、第１の受光素子群５１ａの端子電極は、交互にＡ相用の信号線３１ａとＡＢ相用の信号線３１ｃに接続される。第２の受光素子群５１ｂの端子電極は、交互にＢＢ相用の信号線３１ｂとＢ相用の信号線３１ｄに接続される。以上により、受光素子アレイ５からは、３Ｐ／４ピッチ（＝２７０°）ずつずれたＡ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢ相の変位信号が得られる。
【００２３】
以上のようにこの実施の形態によると、受光素子アレイ５は、第１の受光素子群５１ａとこれとは異なる層により形成された第２の受光素子群５１ｂにより構成される。従って、受光素子アレイ５としての配列ピッチに対して、第１及び第２の受光素子群５１ａ，５１ｂの配列ピッチは２倍になり、スケール格子ピッチＰが小さい場合にも、余裕を持って加工することができる。これにより、受光素子アレイの歩留まり及び信頼性は向上する。
【００２４】
［実施の形態２］
スケール格子ピッチＰが大きい場合には、受光素子アレイ５の配列ピッチを例えば、Ｐ／４ピッチとすることができる。その様な実施の形態の受光素子アレイ５のレイアウトを、図２（ａ）に対応させて図３に示す。断面構造は、実施の形態１と同様である。この場合、図３に示すように第１の受光素子群５１ａと第２の受光素子群５１ｂとをそれぞれ、互いにＰ／４ピッチずれた状態でＰ／２ピッチで配列形成する。これにより、第１及び第２の受光素子群５１ａ，５１ｂを含めて受光素子アレイ５からは、その配列順にＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢの４相の変位信号が得られる。
【００２５】
この実施の形態の場合にも、受光素子アレイ５を２層構造としているため、最終的に得られる素子配列ピッチに対して、実際の素子加工ピッチは２倍になるから、受光素子アレイの歩留まり及び信頼性は向上する。
なおここまでの実施の形態において、第１の受光素子群５１ａ及び第２の受光素子群５１ｂは、ライン／スペースが１／１ではなく、少しスペースが大きい状態に加工した例を示したが、ライン／スペース＝１／１としてもよい。この場合、受光素子アレイ全体として、隙間なく受光素子が配列されることになる。
【００２６】
［実施の形態３］
図４は、実施の形態３による光電式エンコーダの受光素子アレイ５の断面構造を示す。この実施の形態では、基板５０上に第１の受光素子群５１ａ、第２の受光素子群５１ｂを実施の形態１と同様にして形成し、更にこれらの上に第３の受光素子群５１ｃと第４の受光素子群５１ｄを積層している。各受光素子群５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄの間が絶縁膜４１により分離されることは、先の実施の形態と同様である。
【００２７】
この実施の形態の場合、第１の受光素子群５１ａは、ピッチＰで配列されて互いに並列接続される。第２〜第４の受光素子群５１ｂ〜５１ｄは順次Ｐ／４ずつずれた状態で形成されて、それぞれ互いに並列接続される。これにより、第１〜第４の受光素子群５１ａ〜５１ｄの出力がそれぞれ、Ａ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相の変位信号となる。
これにより、各受光素子群の加工には隣接する素子間のスペースを大きく確保して、受光素子アレイ全体としてＰ／４ピッチの素子配列を得ることができ、微細なスケール格子を持つ光電式エンコーダを歩留まりよく作ることができる。
【００２８】
［実施の形態４］
図５は、実施の形態４による光電式エンコーダの受光素子アレイ５の断面構造を示す。この実施の形態では、基板５０上に形成された第１の受光素子群５１ａは、ピッチＰで配列された複数のフォトダイオード２２ａからなる第１グループ５１ａａと、同じくピッチＰで配列された複数のフォトダイオード２２ｂからなり、第１グループ５１ａａとは９０°位相がずれた第２グループ５１ａｂとに分けられている。第１グループ５１ａａの複数のフォトダイオード２２ａはＡ相用として互いに並列接続され、第２グループ５１ａｂの複数のフォトダイオード２２ｂはＢ相用として並列接続されている。
【００２９】
第１の受光素子群５１ａの上に絶縁膜を介して積層された第２の受光素子群５１ｂは、二つのフォトダイオード２６ａ，２６ｂにより構成されている。フォトダイオード２６ａ，２６ｂはそれぞれ、第１及び第２グループ５１ａａ及び５１ａｂの全体をカバーする受光面を持つように形成される。
【００３０】
第１の受光素子群５１ａは、各フォトダイオード２２ａ，２２ｂの端子電極が光を通さないものとすれば、格子として機能する。これにより、第２の受光素子群５１ｂの一方のフォトダイオード２６ａは、第１の受光素子群５１ａの第１グループ５１ａａのフォトダイオード２２ａのスペースを透過した光を受光して、ＡＢ相変位信号を出力する。第２の受光素子群５１ｂの他方のフォトダイオード２６ｂは、第１の受光素子群５１ａの第２グループ５１ａｂのフォトダイオード２２ｂのスペースを透過した光を受光して、ＢＢ相変位信号を出力する。
この実施の形態によっても、先の各実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
この発明による光電式エンコーダは上記実施の形態に限られない。例えば上記各実施の形態では、受光素子アレイには透明基板を用い、そのスケール部材に対向する側と反対側の面に受光素子を積層形成して、透明基板を透過した光を受光するようにしたが、受光素子を積層した側を光入射面としてもよい。このとき、各受光素子の端子電極に金属を用いる場合には、上記実施の形態とは端子電極及び透明共通電極の上下を逆にすることが必要である。また、基板は透明基板でなくてもよい。
上記実施の形態では、４相の変位信号を得る場合を説明したが、１２０°ずつずれたの３相の変位信号を得る形式の光電式エンコーダにも同様にこの発明を適用することができる。
【００３２】
［実施の形態５］
図６及び図７は、この発明を静電容量式エンコーダに適用した実施の形態である。スケール部材１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、光電式エンコーダと同様である。スケール部材１には所定ピッチで転送電極１０２が配列形成されている。センサヘッド２上には、転送電極１０２と容量結合する送信電極１０１と受信電極１０３が配置されている。送信電極１０１は、スケール部材１の転送電極１０２の配列との関係で所定ピッチで複数個配置される。
【００３３】
送信電極１０１の配列は、図７の断面図に示すように、基板１００上に配列された第１の送信電極１０１ａと、この上に層間絶縁膜１０４を介して配列された第２の送信電極１０１ｂとからなる。第２の送信電極１０１ｂは、第１の送信電極１０１ａの配列のスペースに配置されて、例えば図７に示すようにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの異なる４相の送信電極群を構成する。
この実施の形態の場合も、複数の送信電極は２層に分けて配列され、各層の送信電極配列ピッチをＰとして、全体として送信電極ピッチＰ／２を実現することができる。従って微細ピッチの電極配列を得ることができる。
【００３４】
［実施の形態６］
図８及び図９は、この発明を磁気式（誘導式）エンコーダに適用した実施の形態である。スケール部材１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、光電式エンコーダと同様である。スケール部材１には所定ピッチで転送巻線２０２が配列形成されている。センサヘッド２上には、転送巻線２０２と磁気結合（誘導結合）する送信巻線２０１と受信巻線２０３が配置されている。送信巻線２０１は、スケール部材１の転送巻線２０２の配列との関係で所定ピッチで複数個配置される。
【００３５】
送信巻線２０１の配列は、図９の断面図に示すように、基板２００上に配列された第１の送信巻線２０１ａと、この上に層間絶縁膜２０４を介して配列された第２の送信巻線２０１ｂとからなる。第２の送信巻線２０１ｂは、第１の送信巻線２０１ａの配列のスペースに配置されて、例えば図９に示すようにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの異なる４相の送信巻線群を構成する。
この実施の形態の場合も、複数の送信巻線は２層に分けて配列され、各層の送信巻線配列ピッチをＰとして、全体として送信巻線ピッチＰ／２を実現することができる。従って微細ピッチの巻線配列を得ることができる。
【００３６】
［実施の形態７］
図１０は、実施の形態１における受光素子アレイ５に相当する別の受光素子アレイ５ａの構成を示している。ここでは、受光素子として、能動領域を持たない単なる光導波路３０２ａ，３０２ｂを用いている。図１１（ａ），（ｂ）は、図１０のＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′断面図である。導波路３０２ａ，３０２ｂは、薄膜の堆積とエッチングにより形成される平面導波路（コア層）である。
【００３７】
即ち、基板３０１上にクラッド層３０３により囲まれた形で第１の導波路３０２ａが所定ピッチで配列され、この上に更に第２の導波路３０２ｂが、第１の導波路３０２ａの配列に対して１／２ピッチずれた状態で配列される。第２の導波路３０２ｂの上部にもクラッド層３０４が形成される。各導波路３０２ａ，３０２ｂは、スケールの測定軸と直交する方向にストライプ状をなして基板３０１と平行に配設される。スケールからの光は、導波路端面ではなく、端面とは直交する表面から結合される。
【００３８】
具体的にこの実施の形態では、導波路３０２ａ，３０２ｂが形成された側のクラッド層３０４の表面から、光を導波路３０２ａ，３０２ｂに結合させる。そのために、図１１（ｂ）に示すように、導波路３０２ａ，３０２ｂの上部クラッド層３０４の表面には、スケールからクラッド層３０４に入る光を効率よく導波路３０２ａ，３０２ｂに結合させるための光結合器として、グレーティング３０５が形成されている。このグレーティング３０５は、干渉縞の露光とクラッド層エッチングを利用して形成することができる。
この様にグレーティング３０５を形成すると、図１１（ｂ）の断面で基板３０１にほぼ垂直な方向にスケールからの光が入るものとして、その光をｄsinθ＝ｍλ（ｄ：グレーティングピッチ、λ：光源波長、ｍ：整数）で表される角度θをもってクラッド層３０４内に回折させて、導波路３０２ａ，３０２ｂに結合させることができる。
【００３９】
なお、基板３０１が透明の場合には、導波路３０２ａ，３０２ｂへのスケールからの光入射は、基板３０１側からとしてもよい。
各導波路３０２ａ，３０２ｂの一端には、コネクタ３０６を介して光ファイバ３０７が結合されている。この光ファイバ３０７の束を光伝送路３０８として、各導波路３０２ａ，３０２ｂから得られる光信号は図示しない測定装置に転送される。
導波路３０２ａ，３０２ｂは二層構造としており、全体としてスケールピッチをＰとして、３Ｐ／４ピッチで、４本を１セットとして配列される。これにより、Ａ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢの４相の光信号が得られる。
【００４０】
この実施の形態の場合も、受光素子アレイを構成する導波路群を二層構造とすることにより、実際の加工ピッチの１／２ピッチという微細な受光素子配列を得ることができる。
なお導波路群は、少なくとも二層あれば効果があるが、図４の実施の形態と同様に、更に多層に重ねることも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、受光素子アレイを複数層の受光素子群により形成することにより、実質的に微細な配列ピッチを持つ受光素子アレイを余裕のあるライン／スペースの加工で実現して、光電式エンコーダの歩留まり及び信頼性向上を図ることができる。
またこの発明によれば、静電容量式或いは磁気式エンコーダにおいて、スケール部材に対向するセンサヘッドの送信部の送信デバイス配列を２層構造とすることにより、送信部配列を微細ピッチとして高分解能エンコーダを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による光電式エンコーダの構成を示す図である。
【図２】 同実施の形態における受光素子アレイの構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態２による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態３による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態４による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態５による静電容量式エンコーダの構成を示す図である。
【図７】 同静電容量式エンコーダの送信電極配列部の断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態６による磁気式エンコーダの構成を示す図である。
【図９】 同磁気式エンコーダの送信巻線配列部の断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図１１】 同実施の形態の受光素子アレイの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１…スケール部材、２…センサヘッド、３…ＬＥＤ、４…インデックススケール、５…受光素子アレイ、５０…基板、５１…受光素子、５１ａ…第１の受光素子群、５１ｂ…第２の受光素子群、２１，２５…透明導電膜、２２，２６…フォトダイオード、２３，２７…端子電極、２４，２８…絶縁膜、１０１（１０１ａ，１０１ｂ）…送信電極、１０２…転送電極、１０３…受信電極、２０１（２０１ａ，２０１ｂ）…送信巻線、２０２…転送巻線、２０３…受信巻線、５ａ…受光素子アレイ、３０２ａ，３０２ｂ…導波路、２０３，２０４…クラッド層、３０５…グレーティング、３０６…コネクタ、３０７…光ファイバ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、光電式エンコーダ等の変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電式エンコーダとして、受光素子をスケール格子との関係で所定ピッチでアレイ状に配列形成した受光素子アレイを用い、この受光素子アレイが受光側インデックス格子を兼ねるようにした方式が知られている。例えば、スケール格子ピッチＰに対して、受光素子アレイをＰ／４ピッチで少なくとも４個（１セット）配列形成すれば、９０°ずつ位相がずれたＡ，ＡＢ，Ｂ，ＢＢの４相変位信号を得ることができる。スケール格子のピッチＰが小さくなり、受光素子アレイをＰ／４で形成することが困難な場合には、例えば受光素子アレイの配列ピッチを３Ｐ／４にすればよい。これにより、受光素子アレイの配列順に、２７０°ずつ位相がずれたＡ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢの４相変位信号を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スケール格子ピッチがμｍレベルの小さいものになると、受光素子アレイの形成は容易ではない。特に、受光素子アレイを基板上に堆積したアモルファスシリコン等の半導体膜の加工により形成する場合、ライン／スペースが最小加工寸法に近い場合には、相間短絡等が発生し、歩留まりが低いものとなる。また、微細なライン／スペースの加工ができたとしても、スペースにゴミ等が付着しても短絡の原因となる。
【０００４】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、実質的に微細な配列ピッチを持つ受光素子アレイを余裕のあるライン／スペースの加工で実現して、歩留まり及び信頼性向上を図った光電式エンコーダを提供することを目的としている。この発明はまた、静電容量式、磁気式等のエンコーダにおいて、送信デバイス配列を実質的に微細ピッチの配列とした変位測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定軸に沿って所定ピッチのスケール格子が形成されたスケール部材と、このスケール部材に対してその測定軸方向に相対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有し、前記センサヘッドは、前記スケール部材に光を照射する光源と、前記スケール部材からの光を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光素子アレイとを備えた変位測定装置において、前記受光素子アレイは、基板と、この基板上に形成された第１層半導体薄膜により形成された第１の受光素子群と、この第１の受光素子群を覆う絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された第２層半導体薄膜により形成されて前記第１の受光素子群のスペースの透過光を受光する第２の受光素子群とを有し、前記第１の受光素子群は、前記スケール格子との関係で互いに９０°位相がずれたＡ相の変位信号とＢ相の変位信号を出力する複数個ずつの受光素子からなる第１グループと第２グループとからなり、前記第２の受光素子群は、前記第１の受光素子群の第１グループの範囲をカバーする受光面をもってＡ相の位相反転したＡＢ相の変位信号を出力する第１の受光素子と、前記第１の受光素子群の第２グループの範囲をカバーする受光面をもってＢ相の位相反転したＢＢ相の変位信号を出力する第２の受光素子とから構成されていることを特徴とする。
【０００６】
この発明によると、受光素子アレイは、基板上の異なる層の半導体薄膜を用いて、第１の受光素子群とそのスペース上に配置される第２の受光素子群とにより構成する。従って、第１及び第２の受光素子群のそれぞれのピッチに対して全体としては１／２ピッチの受光素子配列となるから、受光素子アレイのライン／スペース加工を余裕を持って行うことができる。これにより、光電式エンコーダの歩留まり及び信頼性向上が図られる。
【０００７】
この発明において具体的には、受光素子アレイの基板は透明基板であり、第１及び第２の受光素子群は、この透明基板のスケール部材に対向する面と反対側の面に積層形成される。またこの場合、第１及び第２の受光素子群はそれぞれ、前記透明基板側に共通電極となる透明導電膜が形成され、反対側に各端子電極が形成される。
【００１３】
この発明は更に、測定軸に沿って所定ピッチのスケール格子が形成されたスケール部材と、このスケール部材に対してその測定軸方向に相対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有し、前記センサヘッドは、前記スケール部材に光を照射する光源と、前記スケール部材からの光を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光素子アレイとを備えた変位測定装置において、前記受光素子アレイは、基板と、この基板上に形成されて前記スケール部材からの光を受光して光信号として導波する第１の導波路群と、この第１の導波路群を覆うクラッド層と、このクラッド層上に形成されて前記第１の導波路群のスペースの透過光を受光して光信号として導波する第２の導波路群とを有することを特徴とする。
【００１４】
即ちこの発明は、受光素子アレイを構成する受光素子が能動素子ではなく、光を受光して導波するだけの導波路である場合も有効である。この場合も、第１の導波路群と第２の導波路群とをクラッド層を挟んで１／２ピッチずれた状態で積層する構造とすることにより、全体として受光素子アレイのピッチを小さくすることが可能になる。
【００１５】
【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。
［実施の形態１］
図１（ａ）（ｂ）は、この発明の実施の形態１による光電式エンコーダの平面図とそのＡ−Ａ′断面図である。光電式エンコーダは、スケール部材１と、これに対して所定のギャップをもって対向して、スケール部材１の測定軸ｘに沿って相対移動可能に配置された、スケール格子を読み取るためのセンサヘッド２とから構成される。
【００１６】
スケール部材１は、ガラス等の基板１０に所定のピッチＰでスケール格子１１を配列形成して構成されている。具体的にこの実施の形態の場合、スケール部材１は反射型であり、スケール格子１１は、反射部と非反射部の配列により構成される。
センサヘッド２は、光源としてのＬＥＤ３と、このＬＥＤ３の出力光を変調してスケール部材１を照射するインデックススケール４と、スケール部材１からの反射光を受光して変位信号を出力する受光素子アレイ５とから構成される。
【００１７】
インデックススケール４はガラス等の透明基板に例えばスケール格子１１と同じピッチのインデックス格子４１を配列形成して構成されている。受光素子アレイ５は、ガラス等の透明基板５０上にアモルファスシリコン等の半導体薄膜により形成された受光素子５１が、スケール格子１１との関係で所定ピッチで配列されている。
【００１８】
図２（ａ）（ｂ）は、受光素子アレイ５の具体的な構成を示す平面図とそのＢ−Ｂ′断面図である。図示のように受光素子アレイ５は、透明基板５０上に、２層に分けて積層された第１の受光素子群５１ａと第２の受光素子群５１ｂとから構成されている。第１の受光素子群５１ａは、透明基板５０上に共通電極として形成されたＩＴＯ等の透明導電膜２１上に配列形成されたアモルファスシリコンのフォトダイオード２２である。各フォトダイオード２２は具体的には、基板５０側からｐ層，ｉ層及びｎ層の積層膜であり、その表面には端子電極２３が形成されている。端子電極２３はＮｉ電極である。
【００１９】
第１の受光素子群５１ａの製造工程は、次の通りである。まず基板５０上に透明導電膜２１を形成し、更にこの上にｐ層、ｉ層、ｎ層のアモルファスシリコン膜を順次堆積し、更にその表面にＮｉ膜を堆積する。次にリソグラフィ工程を経てＮｉ膜をパターン形成する。そして、形成されたＮｉ電極をマスクとしてアモルファスシリコンをエッチングすることにより、各フォトダイオードを分離する。
【００２０】
この様に形成された第１の受光素子群５１ａはシリコン酸化膜等の絶縁膜２４により覆う。好ましくは絶縁膜２４の表面は平坦化する。そしてこの絶縁膜２４上に再度共通電極となる透明導電膜２５を形成し、この上に第２の受光素子群５１ｂを構成するアモルファスシリコンのフォトダイオード２６を形成する。これらのフォトダイオード２６の表面にも端子電極２７が形成される。第２の受光素子群５１ｂの構造及び製法は、第１の受光素子群５１ａと同様である。第２の受光素子群５１ｂの表面は、パシベーション用の絶縁膜２８により覆われる。
【００２１】
この実施の形態において、受光素子アレイ５は、基板５０側からの光を受光する。即ち、第１の受光素子群５１ａには、スケール部材１からの反射光が基板５０を透過して入力される。第２の受光素子群５１ｂには、基板５０を透過し、第１の受光素子群５１ａのスペースを透過した光が入力される。
【００２２】
この実施の形態では、受光素子アレイ５は、４相の変位信号を出力するように、第１及び第２の受光素子群５１ａ及び５１ｂが所定ピッチで配列される。具体的にこの実施の形態の場合、第１の受光素子群５１ａは、スケール格子のピッチＰに対して、３Ｐ／２のピッチで配列され、第２の受光素子群５１ｂは、第１の受光素子群５１ａとは３Ｐ／４ピッチずれて３Ｐ／２ピッチで配列される。９０°ずつ位相がずれた４相の変位信号をＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相として、第１の受光素子群５１ａの端子電極は、交互にＡ相用の信号線３１ａとＡＢ相用の信号線３１ｃに接続される。第２の受光素子群５１ｂの端子電極は、交互にＢＢ相用の信号線３１ｂとＢ相用の信号線３１ｄに接続される。以上により、受光素子アレイ５からは、３Ｐ／４ピッチ（＝２７０°）ずつずれたＡ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢ相の変位信号が得られる。
【００２３】
以上のようにこの実施の形態によると、受光素子アレイ５は、第１の受光素子群５１ａとこれとは異なる層により形成された第２の受光素子群５１ｂにより構成される。従って、受光素子アレイ５としての配列ピッチに対して、第１及び第２の受光素子群５１ａ，５１ｂの配列ピッチは２倍になり、スケール格子ピッチＰが小さい場合にも、余裕を持って加工することができる。これにより、受光素子アレイの歩留まり及び信頼性は向上する。
【００２４】
［実施の形態２］
スケール格子ピッチＰが大きい場合には、受光素子アレイ５の配列ピッチを例えば、Ｐ／４ピッチとすることができる。その様な実施の形態の受光素子アレイ５のレイアウトを、図２（ａ）に対応させて図３に示す。断面構造は、実施の形態１と同様である。この場合、図３に示すように第１の受光素子群５１ａと第２の受光素子群５１ｂとをそれぞれ、互いにＰ／４ピッチずれた状態でＰ／２ピッチで配列形成する。これにより、第１及び第２の受光素子群５１ａ，５１ｂを含めて受光素子アレイ５からは、その配列順にＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢの４相の変位信号が得られる。
【００２５】
この実施の形態の場合にも、受光素子アレイ５を２層構造としているため、最終的に得られる素子配列ピッチに対して、実際の素子加工ピッチは２倍になるから、受光素子アレイの歩留まり及び信頼性は向上する。
なおここまでの実施の形態において、第１の受光素子群５１ａ及び第２の受光素子群５１ｂは、ライン／スペースが１／１ではなく、少しスペースが大きい状態に加工した例を示したが、ライン／スペース＝１／１としてもよい。この場合、受光素子アレイ全体として、隙間なく受光素子が配列されることになる。
【００２６】
［実施の形態３］
図４は、実施の形態３による光電式エンコーダの受光素子アレイ５の断面構造を示す。この実施の形態では、基板５０上に第１の受光素子群５１ａ、第２の受光素子群５１ｂを実施の形態１と同様にして形成し、更にこれらの上に第３の受光素子群５１ｃと第４の受光素子群５１ｄを積層している。各受光素子群５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄの間が絶縁膜４１により分離されることは、先の実施の形態と同様である。
【００２７】
この実施の形態の場合、第１の受光素子群５１ａは、ピッチＰで配列されて互いに並列接続される。第２〜第４の受光素子群５１ｂ〜５１ｄは順次Ｐ／４ずつずれた状態で形成されて、それぞれ互いに並列接続される。これにより、第１〜第４の受光素子群５１ａ〜５１ｄの出力がそれぞれ、Ａ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢ相の変位信号となる。
これにより、各受光素子群の加工には隣接する素子間のスペースを大きく確保して、受光素子アレイ全体としてＰ／４ピッチの素子配列を得ることができ、微細なスケール格子を持つ光電式エンコーダを歩留まりよく作ることができる。
【００２８】
［実施の形態４］
図５は、実施の形態４による光電式エンコーダの受光素子アレイ５の断面構造を示す。この実施の形態では、基板５０上に形成された第１の受光素子群５１ａは、ピッチＰで配列された複数のフォトダイオード２２ａからなる第１グループ５１ａａと、同じくピッチＰで配列された複数のフォトダイオード２２ｂからなり、第１グループ５１ａａとは９０°位相がずれた第２グループ５１ａｂとに分けられている。第１グループ５１ａａの複数のフォトダイオード２２ａはＡ相用として互いに並列接続され、第２グループ５１ａｂの複数のフォトダイオード２２ｂはＢ相用として並列接続されている。
【００２９】
第１の受光素子群５１ａの上に絶縁膜を介して積層された第２の受光素子群５１ｂは、二つのフォトダイオード２６ａ，２６ｂにより構成されている。フォトダイオード２６ａ，２６ｂはそれぞれ、第１及び第２グループ５１ａａ及び５１ａｂの全体をカバーする受光面を持つように形成される。
【００３０】
第１の受光素子群５１ａは、各フォトダイオード２２ａ，２２ｂの端子電極が光を通さないものとすれば、格子として機能する。これにより、第２の受光素子群５１ｂの一方のフォトダイオード２６ａは、第１の受光素子群５１ａの第１グループ５１ａａのフォトダイオード２２ａのスペースを透過した光を受光して、ＡＢ相変位信号を出力する。第２の受光素子群５１ｂの他方のフォトダイオード２６ｂは、第１の受光素子群５１ａの第２グループ５１ａｂのフォトダイオード２２ｂのスペースを透過した光を受光して、ＢＢ相変位信号を出力する。
この実施の形態によっても、先の各実施の形態と同様の効果が得られる。
【００３１】
この発明による光電式エンコーダは上記実施の形態に限られない。例えば上記各実施の形態では、受光素子アレイには透明基板を用い、そのスケール部材に対向する側と反対側の面に受光素子を積層形成して、透明基板を透過した光を受光するようにしたが、受光素子を積層した側を光入射面としてもよい。このとき、各受光素子の端子電極に金属を用いる場合には、上記実施の形態とは端子電極及び透明共通電極の上下を逆にすることが必要である。また、基板は透明基板でなくてもよい。
上記実施の形態では、４相の変位信号を得る場合を説明したが、１２０°ずつずれたの３相の変位信号を得る形式の光電式エンコーダにも同様にこの発明を適用することができる。
【００３２】
［実施の形態５］
図６及び図７は、この発明を静電容量式エンコーダに適用した実施の形態である。スケール部材１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、光電式エンコーダと同様である。スケール部材１には所定ピッチで転送電極１０２が配列形成されている。センサヘッド２上には、転送電極１０２と容量結合する送信電極１０１と受信電極１０３が配置されている。送信電極１０１は、スケール部材１の転送電極１０２の配列との関係で所定ピッチで複数個配置される。
【００３３】
送信電極１０１の配列は、図７の断面図に示すように、基板１００上に配列された第１の送信電極１０１ａと、この上に層間絶縁膜１０４を介して配列された第２の送信電極１０１ｂとからなる。第２の送信電極１０１ｂは、第１の送信電極１０１ａの配列のスペースに配置されて、例えば図７に示すようにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの異なる４相の送信電極群を構成する。
この実施の形態の場合も、複数の送信電極は２層に分けて配列され、各層の送信電極配列ピッチをＰとして、全体として送信電極ピッチＰ／２を実現することができる。従って微細ピッチの電極配列を得ることができる。
【００３４】
［実施の形態６］
図８及び図９は、この発明を磁気式（誘導式）エンコーダに適用した実施の形態である。スケール部材１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、光電式エンコーダと同様である。スケール部材１には所定ピッチで転送巻線２０２が配列形成されている。センサヘッド２上には、転送巻線２０２と磁気結合（誘導結合）する送信巻線２０１と受信巻線２０３が配置されている。送信巻線２０１は、スケール部材１の転送巻線２０２の配列との関係で所定ピッチで複数個配置される。
【００３５】
送信巻線２０１の配列は、図９の断面図に示すように、基板２００上に配列された第１の送信巻線２０１ａと、この上に層間絶縁膜２０４を介して配列された第２の送信巻線２０１ｂとからなる。第２の送信巻線２０１ｂは、第１の送信巻線２０１ａの配列のスペースに配置されて、例えば図９に示すようにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの異なる４相の送信巻線群を構成する。
この実施の形態の場合も、複数の送信巻線は２層に分けて配列され、各層の送信巻線配列ピッチをＰとして、全体として送信巻線ピッチＰ／２を実現することができる。従って微細ピッチの巻線配列を得ることができる。
【００３６】
［実施の形態７］
図１０は、実施の形態１における受光素子アレイ５に相当する別の受光素子アレイ５ａの構成を示している。ここでは、受光素子として、能動領域を持たない単なる光導波路３０２ａ，３０２ｂを用いている。図１１（ａ），（ｂ）は、図１０のＡ−Ａ′及びＢ−Ｂ′断面図である。導波路３０２ａ，３０２ｂは、薄膜の堆積とエッチングにより形成される平面導波路（コア層）である。
【００３７】
即ち、基板３０１上にクラッド層３０３により囲まれた形で第１の導波路３０２ａが所定ピッチで配列され、この上に更に第２の導波路３０２ｂが、第１の導波路３０２ａの配列に対して１／２ピッチずれた状態で配列される。第２の導波路３０２ｂの上部にもクラッド層３０４が形成される。各導波路３０２ａ，３０２ｂは、スケールの測定軸と直交する方向にストライプ状をなして基板３０１と平行に配設される。スケールからの光は、導波路端面ではなく、端面とは直交する表面から結合される。
【００３８】
具体的にこの実施の形態では、導波路３０２ａ，３０２ｂが形成された側のクラッド層３０４の表面から、光を導波路３０２ａ，３０２ｂに結合させる。そのために、図１１（ｂ）に示すように、導波路３０２ａ，３０２ｂの上部クラッド層３０４の表面には、スケールからクラッド層３０４に入る光を効率よく導波路３０２ａ，３０２ｂに結合させるための光結合器として、グレーティング３０５が形成されている。このグレーティング３０５は、干渉縞の露光とクラッド層エッチングを利用して形成することができる。
この様にグレーティング３０５を形成すると、図１１（ｂ）の断面で基板３０１にほぼ垂直な方向にスケールからの光が入るものとして、その光をｄsinθ＝ｍλ（ｄ：グレーティングピッチ、λ：光源波長、ｍ：整数）で表される角度θをもってクラッド層３０４内に回折させて、導波路３０２ａ，３０２ｂに結合させることができる。
【００３９】
なお、基板３０１が透明の場合には、導波路３０２ａ，３０２ｂへのスケールからの光入射は、基板３０１側からとしてもよい。
各導波路３０２ａ，３０２ｂの一端には、コネクタ３０６を介して光ファイバ３０７が結合されている。この光ファイバ３０７の束を光伝送路３０８として、各導波路３０２ａ，３０２ｂから得られる光信号は図示しない測定装置に転送される。
導波路３０２ａ，３０２ｂは二層構造としており、全体としてスケールピッチをＰとして、３Ｐ／４ピッチで、４本を１セットとして配列される。これにより、Ａ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢの４相の光信号が得られる。
【００４０】
この実施の形態の場合も、受光素子アレイを構成する導波路群を二層構造とすることにより、実際の加工ピッチの１／２ピッチという微細な受光素子配列を得ることができる。
なお導波路群は、少なくとも二層あれば効果があるが、図４の実施の形態と同様に、更に多層に重ねることも可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、受光素子アレイを複数層の受光素子群により形成することにより、実質的に微細な配列ピッチを持つ受光素子アレイを余裕のあるライン／スペースの加工で実現して、光電式エンコーダの歩留まり及び信頼性向上を図ることができる。
またこの発明によれば、静電容量式或いは磁気式エンコーダにおいて、スケール部材に対向するセンサヘッドの送信部の送信デバイス配列を２層構造とすることにより、送信部配列を微細ピッチとして高分解能エンコーダを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による光電式エンコーダの構成を示す図である。
【図２】 同実施の形態における受光素子アレイの構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態２による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態３による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態４による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態５による静電容量式エンコーダの構成を示す図である。
【図７】 同静電容量式エンコーダの送信電極配列部の断面図である。
【図８】 この発明の実施の形態６による磁気式エンコーダの構成を示す図である。
【図９】 同磁気式エンコーダの送信巻線配列部の断面図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７による光電式エンコーダの受光素子アレイの構成を示す図である。
【図１１】 同実施の形態の受光素子アレイの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１…スケール部材、２…センサヘッド、３…ＬＥＤ、４…インデックススケール、５…受光素子アレイ、５０…基板、５１…受光素子、５１ａ…第１の受光素子群、５１ｂ…第２の受光素子群、２１，２５…透明導電膜、２２，２６…フォトダイオード、２３，２７…端子電極、２４，２８…絶縁膜、１０１（１０１ａ，１０１ｂ）…送信電極、１０２…転送電極、１０３…受信電極、２０１（２０１ａ，２０１ｂ）…送信巻線、２０２…転送巻線、２０３…受信巻線、５ａ…受光素子アレイ、３０２ａ，３０２ｂ…導波路、２０３，２０４…クラッド層、３０５…グレーティング、３０６…コネクタ、３０７…光ファイバ。
Claims (4)
- 測定軸に沿って所定ピッチのスケール格子が形成されたスケール部材と、このスケール部材に対してその測定軸方向に相対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有し、前記センサヘッドは、前記スケール部材に光を照射する光源と、前記スケール部材からの光を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光素子アレイとを備えた変位測定装置において、
前記受光素子アレイは、
基板と、
この基板上に形成された第１層半導体薄膜により形成された第１の受光素子群と、
この第１の受光素子群を覆う絶縁膜と、
この絶縁膜上に形成された第２層半導体薄膜により形成されて前記第１の受光素子群のスペースの透過光を受光する第２の受光素子群と
を有し、
前記第１の受光素子群は、前記スケール格子との関係で互いに９０°位相がずれたＡ相の変位信号とＢ相の変位信号を出力する複数個ずつの受光素子からなる第１グループと第２グループとからなり、
前記第２の受光素子群は、前記第１の受光素子群の第１グループの範囲をカバーする受光面をもってＡ相の位相反転したＡＢ相の変位信号を出力する第１の受光素子と、前記第１の受光素子群の第２グループの範囲をカバーする受光面をもってＢ相の位相反転したＢＢ相の変位信号を出力する第２の受光素子とから構成されている
ことを特徴とする変位測定装置。 - 前記基板は透明基板であり、前記第１及び第２の受光素子群は、前記透明基板の前記スケール部材に対向する面と反対側の面に積層形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。 - 前記第１及び第２の受光素子群は、前記透明基板側に共通電極となる透明導電膜が形成され、反対側に各端子電極が形成されている
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。 - 測定軸に沿って所定ピッチのスケール格子が形成されたスケール部材と、このスケール部材に対してその測定軸方向に相対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有し、前記センサヘッドは、前記スケール部材に光を照射する光源と、前記スケール部材からの光を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受光素子アレイとを備えた変位測定装置において、
前記受光素子アレイは、
基板と、
この基板上に形成されて前記スケール部材からの光を受光して光信号として導波する第１の導波路群と、
この第１の導波路群を覆うクラッド層と、
このクラッド層上に形成されて前記第１の導波路群のスペースの透過光を受光して光信号として導波する第２の導波路群と
を有する
ことを特徴とする変位測定装置。
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