JP4420659B2 - 投影型エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、透過格子および受光素子が形成された半導体基板などの基板を用いた３枚格子の理論に基づく投影型エンコーダに関し、特に、Ａ、Ｂ、Ｚ相信号の信号レベルを高め、精度良く位置検出などを行うことのできる投影型エンコーダに関するものである。

本発明者等は３枚格子の理論に基づく投影型エンコーダを提案している（特許文献１）。この投影型エンコーダは、光源としてのＬＥＤと、一定のピッチで透過格子および受光素子（ホトダイオード）が作り込まれている半導体基板からなる移動板と、一定のピッチで反射格子が形成されている反射格子板とを備えており、ＬＥＤと反射格子板の間に移動板が配置された構成となっている。

この構成の投影型エンコーダでは、移動板を測定対象物と一体化させて、ＬＥＤからの射出光の光軸に直交する方向に沿って、透過格子およびホトダイオードの配列方向に移動させる。ＬＥＤからの射出光は、まず、移動板の背面を照射し、当該移動板に形成されている透過格子を通過して反射格子板の表面を格子縞状に照射する。反射格子板にも一定のピッチで反射格子が形成されているので、当該反射格子板を照射した光のうちの各反射格子に照射した成分のみが反射される。反射格子像は再び移動板を照射し、一定のピッチおよび一定幅で形成されている縦縞状のホトダイオードによって受光される。

移動格子板に形成された縦縞状の透過格子とホトダイオードとが２枚の格子板として機能する。従って、反射格子を用いた３枚格子の理論に基づき、ホトダイオードの受光量は、反射格子板と移動格子板の相対移動に対応して正弦波状に変化する。よって、ホトダイオードの光電流に基づき相対移動速度に対応したパルス信号を得ることができ、当該パルス信号のパルスレートに基づき相対移動速度を演算できる。

一般に、９０度位相の異なるＡ相信号およびＢ相信号が得られるように、ホトダイオードが配列される。また、原点位置を検出するためのＺ相信号が得られるように、Ｚ相用のホトダイオード、透過窓および反射格子も配列される。これらのＡ、Ｂ、Ｚ相の信号に基づき、移動格子板の移動速度、移動方向、絶対位置が検出される。
特開２０００−３２１０９７号公報

ここで、投影型エンコーダにおける検出信号の信号レベルを高め、Ｓ／Ｎ比を改善するために、Ａ、Ｂ相信号の側の光学系では、投影方式により受光素子によって光が検出されるので、拡散光を用いることが望ましい。これに対して、Ｚ相信号検出側の光学系では収差の少ない光線を用いることが望ましく、ＬＥＤおよびコンデンサーレンズからなる平行光源を用いた場合には、Ｚ相信号の信号レベルが不足し、精度良く原点位置を検出できない。双方の光学系に適した指向性を備えた光源は、例えば、小型で高精度なレンズを用いて実現する必要があるが、そのようなレンズは製作が困難であり、製造価格も高い。よって、このような特性の光源を得ることが実用上困難である。

次に、ホトダイオードは一般に半導体基板の表面から一定のピッチとなるように作り込まれる。すなわち、ホトリソグラフィ技術を用いて、レジストや薄膜をマスクとして選択的にイオンを半導体基板表面に拡散させることにより製作される。ここで、ホトダイオードのピッチを小さくした場合などにおいては隣接するホトダイオード間にクロストークが発生し、出力信号のコントラストが低下するおそれがある。また、波長の長い光源を用いる場合にも同様な弊害が発生することがある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、Ａ、Ｂ、Ｚの各相信号の信号レベルを高め、精度良く位置検出などを行うことのできる３枚格子の理論に基づく投影型エンコーダを提案することにある。

本発明の投影型エンコーダは、
光源と、
所定ピッチで配列されたＡＢ相用反射格子と、
所定ピッチで配列されたＺ相用反射格子と、
前記ＡＢ相用反射格子および前記Ｚ相用反射格子を備えたスケール板と、
所定ピッチで配列されたＡＢ相用透過格子と、
Ｚ相用透過窓と、
前記光源から射出され、前記ＡＢ相用透過格子を通り、前記ＡＢ相用反射格子で反射された光を受光する所定ピッチで配列されたＡＢ相用受光素子と、
前記光源から射出され前記Ｚ相用透過窓を通り前記Ｚ相用反射格子で反射された光を受光する所定ピッチで配列されたＺ相用受光素子と、
前記ＡＢ相用透過格子、前記Ｚ相用透過窓、前記ＡＢ相用受光素子および前記Ｚ相用受光素子を備えた半導体基板とを有し、
前記ＡＢ相用受光素子および前記Ｚ相用受光素子のうち、少なくとも前記ＡＢ相用受光素子の間には、所定深さのトレンチ溝が形成されており、
前記半導体基板は、前記ＡＢ相用透過格子および前記Ｚ相用透過窓を形成した部分が、前記半導体基板を裏面からエッチングすることにより形成した薄膜部分であり、前記トレンチ溝を形成した部分が前記薄膜部分よりも厚く形成されており、
前記ＡＢ相用透過格子および前記Ｚ相用透過窓は、前記薄膜部分を表面からエッチングすることにより形成したＡＢ相用貫通格子およびＺ相用貫通窓であり、
前記トレンチ溝は、前記薄膜部分に前記ＡＢ相用貫通格子および前記Ｚ相用貫通窓を形成するエッチング工程において同時に形成されたものであり、
前記トレンチ溝は、前記受光素子における配線部以外の部分の間に形成されていることを特徴としている。

半導体基板における隣接する受光素子の間にトレンチ溝を形成することにより、これらの間のクロストークを防止でき、これらのピッチが狭い場合などにおいてもコントラストの高い検出信号を得ることができる。この結果、各相の信号レベルを高めることができ、精度良く位置検出を行うことができる。また、トレンチ溝は、半導体基板の薄膜部分にＡＢ相用貫通格子（ＡＢ相用透過格子）およびＺ相用貫通窓（Ｚ相用透過窓）を形成する際に、半導体基板の薄膜部分よりも厚い部分に同一のエッチング工程により形成することができるので、製造工程を増やすことなく、トレンチ溝を形成できる。

また、本発明は、前記トレンチ溝が、前記受光素子における配線部以外の部分の間に形成されている。これにより、受光素子間の完全な絶縁はできないが、製造上、受光素子間の配線を単層にすることができ、多層配線の必要がなくなるという利点がある。

このとき、前記ＡＢ相用受光素子が一定の間隔をあけて二列配列され、これらＡＢ相用受光素子の列の間に、これらの配列方向の中心部分に前記Ｚ相用透過窓が形成され、前記Ｚ相用透過窓と各ＡＢ相用受光素子の間に、それぞれＡＢ相用透過格子が配列され、前記ＡＢ相用受光素子の配列方向における前記Ｚ相用透過窓および前記ＡＢ相用透過格子の両側に、それぞれ、Ｚ相用受光素子が配列されているレイアウトを採用することができる。

また、前記光源は点光源であり、当該点光源からの射出光を拡散光として前記ＡＢ相用透過格子に導くための拡散板を有している構成を採用することができる。点光源からの発散光をそのままＺ相信号生成用の光学系に用い、点光源から拡散板を介して得られる拡散光をＡＢ相信号生成用の投影方式の光学系に用いることにより、単一の点光源を用いて双方の光学系に適した光を生成できるので、各相の信号レベル、特にＺ相の信号レベルを高めることができ、精度の高い検出を行うことが可能になる。

以上説明したように、本発明は、３枚格子の理論に基づき、反射格子と透過格子（貫通格子）を用いてこれらの相対移動に関する情報を検出可能な反射格子像を受光素子で受光させるようにした投影型エンコーダにおいて、半導体基板に作り込まれた受光素子の間にトレンチ溝を形成し、受光素子間のクロストークを防止しているので、コントラストの高い検出信号を得ることができる。よって、各相の信号を精度良く検出でき、精度の高い位置検出などが可能になる。また、トレンチ溝は、半導体基板の薄膜部分にＡＢ相用貫通格子（ＡＢ相用透過格子）およびＺ相用貫通窓（Ｚ相用透過窓）を形成する際に、半導体基板の薄膜部分よりも厚い部分に同一のエッチング工程により形成することができるので、製造工程を増やすことなく、トレンチ溝を形成できる。更に、トレンチ溝を、前記受光素子における配線部以外の部分の間に形成したことにより、受光素子間の完全な絶縁はできないものの、製造上、受光素子間の配線を単層にすることができる。よって、多層配線の必要がなくなる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した３枚格子の理論に基づく投影型リニアエンコーダの実施例を説明する。

図１は本例の投影型リニアエンコーダを示す概略ブロック図であり、図２はその主要部分の概略構成図である。これらの図に示すように、投影型リニアエンコーダ１は、ＬＥＤ、ハロゲンランプなどの点光源２と、スケール板３と、これら点光源２およびスケール板３の間に配置した半導体基板４と、点光源２および半導体基板４の間に配置した拡散板５（図１においては省略してある。）と、制御回路部６を有している。半導体基板４は、所定ピッチで形成されたＡＢ相用ホトダイオード７と、所定ピッチで形成されたＺ相用ホトダイオード８と、所定ピッチで形成されたＡＢ相用貫通格子９と、Ｚ相用貫通窓１０を備えている。また、スケール板３は、半導体基板４に対峙している面に、所定ピッチで形成されたＡＢ相用反射格子１１と、所定ピッチで形成されたＺ相用反射格子１２を備えている。本例では、半導体基板４が移動側とされ、スケール板３が固定側とされる。この逆であってもよい。

制御回路部６は、ＡＢ相用ホトダイオード７およびＺ相用ホトダイオード８の検出信号に基づき、１／４λだけ位相のずれたＡ相信号およびＢ相信号、並びに移動側の半導体基板４の原点位置を示すＺ相信号を形成する信号処理部１３と、これらＡ相、Ｂ相信号およびＺ相信号に基づき半導体基板４の移動速度、移動方向、移動位置等の移動情報を演算するための演算部１４と、演算結果を表示する表示部１５と、点光源２の駆動をフィードバック制御するランプ駆動部１６とを備えている。

図３（ａ）は半導体基板４の平面図である。この図に示すように、半導体基板４は横長の長方形をしており、スケール板３に対峙している表面４ａにおいて、上側部分には横方向に一定のピッチでＡＢ相用ホトダイオード７が配列され、下側部分には横方向に一定のピッチでＺ相用ホトダイオード８が配列されている。また、これらの間においては、上側に、ＡＢ相用貫通格子９が一定のピッチで横方向に配列され、下側に、Ｚ相用貫通窓１０が形成されている。

ここで、拡散板５は、点光源２から射出されてＡＢ相用貫通格子９に到る発散光の光路上にのみ位置し、点光源２からＺ相用貫通窓１０に到る発散光の光路上には位置していない。したがって、点光源２から射出され半導体基板４のＡＢ相用貫通格子９を照射する光は、拡散板５を通って拡散光となって当該ＡＢ相用貫通格子９を照射する。ＡＢ相用貫通格子９を透過した拡散光はスケール板３のＡＢ相用反射格子１１を照射し、ＡＢ相用反射格子１１で反射された反射光像が半導体基板４のＡＢ相用ホトダイオード７で受光される。ＡＢ相用ホトダイオード７から出力される検出信号が制御回路部６に供給される。

これに対して、図４に示すように、点光源２から射出され半導体基板４のＺ相用貫通窓１０を照射する光成分は、拡散板５を透過することなく、直接に当該Ｚ相用貫通窓１０を照射し、ここを通過した光成分がスケール板３のＺ相用反射格子１２を照射する。Ｚ相用反射格子１２で反射された反射光像が半導体基板４のＺ相用ホトダイオード８で受光される。Ｚ相用ホトダイオード８から出力される検出信号が制御回路部６に供給される。このように、発散光がＺ相用貫通窓１０を通って上下左右に広がってＺ相用反射格子１２を照射し、ここからの反射光像も同様に上下左右に広がってＺ相用ホトダイオード８を照射する。

したがって、本例では、光の広がりに対応させて、Ｚ相用反射格子１２の大きさおよび配列ピッチに対して、Ｚ相用ホトダイオード８の受光面の大きさおよび配列ピッチを大きくしてある。点光源２からＺ相用反射格子１２までの距離をａ、Ｚ相用反射格子１２からＺ相用ホトダイオード８までの距離をｂ、Ｚ相用反射格子１２の配列幅をｃ、Ｚ相用ホトダイオード８の配列幅をｄとすると、ａ：（ａ＋ｂ）＝ｃ：ｄとなるように、Ｚ相用反射格子１２とＺ相用ホトダイオード８の大きさおよび配列ピッチを決めればよい。

このように、本例の投影型リニアエンコーダ１では、一般的に用いられているＬＥＤと集光レンズの組み合わせなどからなる平行光源を用いる代わりに、点光源２を用いている。点光源２からの発散光を用いることにより、平行光の場合に比べて、Ｚ相用ホトダイオード８の受光量を高めることができ、Ｚ相信号の信号レベルを高めることができる。同時に、拡散板５を介してＡＢ相側の光学系には拡散光を照射できるので、Ａ相信号、Ｂ相信号も精度良く生成できる。

なお、図３（ｂ）には半導体基板４の別の構成例を示してある。この図に示す半導体基板４Ａも横長の長方形をしており、スケール板３に対峙している表面４ａにおいて、上側部分に横方向に一定のピッチでＡＢ相用ホトダイオード７１が配列され、下側部分にも横方向に一定のピッチでＡＢ相用ホトダイオード７２が配列されている。また、これらの間においては、その中央部分の上下に、ＡＢ相用貫通格子９１、９２が一定のピッチで横方向に配列され、これらの間に、Ｚ相用貫通窓１０が形成されている。さらに、ＡＢ相用貫通格子９１、９２およびＺ相用貫通窓１０の両側には、Ｚ相用ホトダイオード８１、８２が一定のピッチで横方向に配列されている。この構成によれば、ＡＢ各相の受光量を確保できるという利点がある。

（ホトダイオードの構造）
次に、ＡＢ相用ホトダイオード７、Ｚ相用ホトダオード８を狭いピッチで半導体基板に作り込む場合や、波長の長い光源を用いる場合には、ホトダイオードの出力のコントラストが低下するという弊害が発生する。この弊害を回避するためには、ホトダイオード間にトレンチ溝を形成すればよい。

例えば、半導体基板４Ａ（図３（ｂ）参照）に形成したホトダイオードについて説明する。図５は半導体基板４Ａの横断面をスケール板３と共に示す説明図である。この図に示すように、半導体基板４Ａの中央部分にはその裏面４ｂの側からウエットエッチングを施すことにより薄膜部分４１が形成され、この薄膜部分４１にＡＢ相用貫通格子９１、９２が形成され、これらの両側における表面４ａの側にＺ相用ホトダイオード８１、８２が一定のピッチで作り込まれている。隣接するＺ相用ホトダイオード８１の間、および隣接するＺ相用ホトダイオード８２の間には、それぞれ一定幅および深さのトレンチ溝８３が形成されている。

図６（ａ）は、半導体基板４ＡのＡＢ相用貫通格子９１およびＡＢ相用ホトダイオード７１が形成されている表面部分を拡大して示す部分拡大平面図であり、図６（ｂ）はＡ−Ａ’で切断した部分の部分拡大断面図であり、図６（ｃ）はＢ−Ｂ’線で切断した部分の部分拡大断面図であり、図６（ｄ）はＣ−Ｃ’線で切断した部分の部分拡大断面図である。ＡＢ相用ホトダイオード７１においてもその間にトレンチ溝７３が形成されている。ここで、ＡＢ相用ホトダイオード７１には、Ａ相信号用のホトダイオードと、その反転信号を得るためのホトダイオードと、Ｂ相信号用のホトダイオードと、その反転信号を得るためのホトダイオードが含まれ、それぞれが、表面４ａに絶縁膜２０を介して積層されたアルミニウムなどの金属蒸着膜からなる電極配線２１〜２４によって接続されている。本例では、電極配線２１〜２４が形成されているホトダイオード７１の隣接部分にはトレンチ溝７３を形成せず、それ以外の部分にのみ形成してある。したがって、ホトダイオード７１相互を完全に絶縁できないが、製造上、ホトダイオード間の電極配線を単層にでき、多層配線の必要性が無くなるという利点がある。

また、トレンチ溝は、半導体基板４Ａに形成した薄膜部分４１にＡＢ相用貫通格子、Ｚ相用貫通窓を形成する工程において、同時に形成することができる。例えば、ＩＣＰ等のドライエッチングにより、これら貫通格子、貫通窓およびトレンチ溝を同時に製造することができる。この場合、貫通格子および貫通溝が形成される薄膜部分４１に比べて、トレンチ溝が形成される部分の方が厚いので、トレンチ溝が半導体基板４Ａを貫通することがない。よって、工程を増やすことなく、ホトダイオードのコントラストを高めることができる。

本発明を適用した３枚格子の理論に基づく投影型リニアエンコーダを示す概略ブロック図である。 図１の点光源、拡散板、半導体基板およびスケール板の配置関係を示す概略構成図である。 図１の半導体基板の構成を示す平面図、および異なる構成の半導体基板の平面図である。 図１の投影型リニアエンコーダにおけるＺ相検出用の光学系を示す説明図である。 図３（ｂ）の半導体基板の横断面をスケール板と共に示す説明図である。 （ａ）は半導体基板のＡＢ相用貫通格子およびＡＢ相用ホトダイオードが形成されている表面部分を拡大して示す部分拡大平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ’で切断した部分の部分拡大断面図であり、（ｃ）はＢ−Ｂ’線で切断した部分の部分拡大断面図であり、（ｄ）はＣ−Ｃ’線で切断した部分の部分拡大断面図である。

１ 投影型リニアエンコーダ
２ 点光源
３ スケール板
４、４Ａ 半導体基板
５ 拡散板
６ 制御回路部
７、７１、７２ ＡＢ相用ホトダイオード
８、８１、８２ Ｚ相用ホトダイオード
９、９１、９２ ＡＢ相用貫通格子
１０ Ｚ相用貫通窓
１１ ＡＢ相用反射格子
１２ Ｚ相用反射格子
２１〜２４ 電極配線
４１ 薄膜部分
７３、８３ トレンチ溝
１３ 信号処理部
１４ 演算部
１５ 表示部
１６ ランプ駆動部

Claims (3)

1. 光源と、
   所定ピッチで配列されたＡＢ相用反射格子と、
   所定ピッチで配列されたＺ相用反射格子と、
   前記ＡＢ相用反射格子および前記Ｚ相用反射格子を備えたスケール板と、
   所定ピッチで配列されたＡＢ相用透過格子と、
   Ｚ相用透過窓と、
   前記光源から射出され、前記ＡＢ相用透過格子を通り、前記ＡＢ相用反射格子で反射された光を受光する所定ピッチで配列されたＡＢ相用受光素子と、
   前記光源から射出され前記Ｚ相用透過窓を通り前記Ｚ相用反射格子で反射された光を受光する所定ピッチで配列されたＺ相用受光素子と、
   前記ＡＢ相用透過格子、前記Ｚ相用透過窓、前記ＡＢ相用受光素子および前記Ｚ相用受光素子を備えた半導体基板とを有し、
   前記ＡＢ相用受光素子および前記Ｚ相用受光素子のうち、少なくとも前記ＡＢ相用受光素子の間には、所定深さのトレンチ溝が形成されており、
   前記半導体基板は、前記ＡＢ相用透過格子および前記Ｚ相用透過窓を形成した部分が、前記半導体基板を裏面からエッチングすることにより形成した薄膜部分であり、前記トレンチ溝を形成した部分が前記薄膜部分よりも厚く形成されており、
   前記ＡＢ相用透過格子および前記Ｚ相用透過窓は、前記薄膜部分を表面からエッチングすることにより形成したＡＢ相用貫通格子およびＺ相用貫通窓であり、
   前記トレンチ溝は、前記薄膜部分に前記ＡＢ相用貫通格子および前記Ｚ相用貫通窓を形成するエッチング工程において同時に形成されたものであり、
   前記トレンチ溝は、前記受光素子における配線部以外の部分の間に形成されている投影型エンコーダ。
2. 請求項１において、
   前記ＡＢ相用受光素子が一定の間隔をあけて二列配列されており、
   これらＡＢ相用受光素子の列の間に、これらの配列方向の中央部分に前記Ｚ相用透過窓が形成されており、
   前記Ｚ相用透過窓と各ＡＢ相用受光素子の間に、それぞれＡＢ相用透過格子が配列されており、
   前記ＡＢ相用受光素子の配列方向における前記Ｚ相用透過窓および前記ＡＢ相用透過格子の両側には、それぞれ、Ｚ相用受光素子が配列されている投影型エンコーダ。
3. 請求項１または２において、
   前記光源は点光源であり、
   当該点光源からの射出光を拡散光として前記ＡＢ相用透過格子に導くための拡散板を有している投影型エンコーダ。