(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定軸に沿ってピッチλ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に沿って相対移動可能に配置されて、前記スケール格子を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受信素子アレイとを有する変位測定装置において、
前記受信素子アレイは、
基板と、
この基板に形成されて、それぞれピッチｎλ（但し、ｎは正の整数）で前記測定軸に沿って配列された複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部をストライプパターン部の中央部分で相互に連結する連結部とを備えて異なる位相の変位信号を出力する複数の受信素子と、
前記連結部の表面を覆い、かつ前記連結部を介して前記受信素子と電気的に接続される配線部と
を有することを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記スケール格子は光学格子であり、前記受信素子アレイは複数の受光素子が配列された受光素子アレイである
ことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記複数の受光素子は、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／２｝λ（但し、ｎ，Ｍは正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて互いに逆相の変位信号を出力する２個で１セットの受光素子を有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記複数の受光素子は、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／４｝λ（但し、ｎ，Ｍは正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて９０°ずつ位相の異なる４相の変位信号を出力する４個で１セットの受光素子を有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【請求項５】
前記複数の受光素子は、（ｎ＋Ｎ／３）λ（但し、ｎは正の整数，Ｎは３の倍数を除く正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて１２０°ずつ位相の異なる３相の変位信号を出力する３個で１セットの受光素子を有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【請求項６】
前記各受光素子は、複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部の少なくとも一方の端部間を連結する連結部をストライプパターン部の中央部分以外にも有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【請求項７】
前記各受光素子は、複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部を複数箇所で連結する連結部をストライプパターン部の中央部分以外にも有する
ことを特徴とする請求項２記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、相対移動可能に配置されて変位信号を出力するスケールと受信素子アレイによって構成される変位測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、受光側のインデックス格子を兼ねて受光素子アレイを用いる光電式エンコーダが知られている。スケールの光学格子ピッチをλとしたとき、受光素子アレイは例えば、４相の変位信号を得る場合であれば、３λ／４ピッチで受光素子を配列して構成される。この場合、受光素子アレイの同相の受光素子は並列接続されて、Ａ，ＢＢ，Ｂ，ＡＢの４相出力が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
微細ピッチの光電式エンコーダを作る場合、受光素子アレイの配列ピッチも微細になる。この微細化の結果、例えば隣接する受光素子のスペースにゴミの付着やエッチング残り等があると、隣接する受光素子間が短絡し又はリークが増大するという事故が発生する。隣接する受光素子は異なる相の変位信号出力用であるから、この様な短絡やリークは、光電式エンコーダの信頼性や歩留まり低下の原因となる。また、受光素子の幅が小さいものとなると、これに対する配線コンタクトが不十分になり、これも信頼性の低下の原因となる。
【０００４】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、微細スケールピッチの場合の信頼性及び歩留まり向上を可能とした変位測定装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、測定軸に沿ってピッチλ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に沿って相対移動可能に配置されて、前記スケール格子を検出して位相の異なる複数の変位信号を出力する受信素子アレイとを有する変位測定装置において、前記受信素子アレイは、基板と、この基板に形成されて、それぞれピッチｎλ（但し、ｎは正の整数）で前記測定軸に沿って配列された複数本のストライプパターン部とこれらのストライプパターン部を相互に連結する連結部とを備えて異なる位相の変位信号を出力する複数の受信素子とを有することを特徴とする。
【０００６】
この発明において、一つの受信素子は、スケールのピッチと同じか又はその整数倍のピッチを持つ複数本のストライプパターン部とこれらを連結する連結部とから構成される。言い換えれば、この発明において、一つの受信素子は、通常の受信素子アレイにおける同相の複数本の受信素子を一つにまとめた状態として構成している。
この様な構成とすれば、一つの受信素子内の隣接するストライプパターン部の間にゴミやエッチング残りがあって短絡やリークが発生しても、この隣接するストライプパターン部は同相出力用であるから、変位出力信号には何ら影響を与えない。従って、微細ピッチのエンコーダの信頼性及び歩留まり向上が図られる。
またこの発明において、各受信素子は、ストライプパターン部から連結部まで連続する受信面が形成されるものとし、その連結部を配線コンタクト部とすれば、ストライプパターン部が細いものであっても確実なコンタクトをとることができる。
【０００７】
この発明は例えば、光学式エンコーダに適用される。この場合、スケール格子は光学格子であり、受信素子アレイは受光素子アレイにより構成される。
この場合、複数の受光素子は例えば、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／２｝λ（但し、Ｍは正の整数）の配列ピッチで測定軸方向に配列されて互いに逆相の２相の変位信号を出力する２個で１セットの受光素子を有するものとすることができる。
或いはまた、複数の受光素子は、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／４）λ（但し、Ｍは正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて９０°ずつ位相の異なる４相の変位信号を出力する４個で１セットの受光素子を有するものとすることができる。さらに、複数の受光素子は、（ｎ＋Ｎ／３）λ（但し、Ｎは３の倍数を除く正の整数）の配列ピッチで前記測定軸方向に配列されて１２０°ずつ位相の異なる３相の変位信号を出力する３個で１セットの受光素子を有するものとすることができる。
【０００８】
更にこの発明において、一つの受光素子の連結部は、（ａ）ストライプパターン部の中央部間を連結するものとすることもできるし、（ｂ）ストライプパターン部の端部間を連結するものとすることもできるし、或いは（ｃ）ストライプパターン部の複数箇所で連結するものとすることもできる。
【０００９】
この発明はまた、磁気エンコーダや静電容量式エンコーダにも適用できる。前者の場合、スケール格子は、ピッチλの周期的磁界を発生する磁気スケールであり、受信素子アレイは磁気検出素子アレイにより構成される。また、後者の場合、スケール格子は、転送電極アレイにより構成され、センサヘッドは、転送電極と容量結合する送信電極と、受信素子アレイとしての受信電極アレイにより構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、この発明が適用される光電式エンコーダの基本構成を示している。いずれも、スケール１と、このスケール１に対してその測定軸ｘ方向に相対移動して変位信号を出力するセンサヘッド２とから構成される。図１は透過型エンコーダであり、図２は反射型エンコーダである。即ち図１では、スケール１は、基板１１が透明基板であり、これに透過部と非透過部を配列した透過型の光学格子１２が形成されている。図２では、スケールは、基板１１に反射部と非反射部を配列した反射型の光学格子１２が形成されている。
【００１１】
センサヘッド２は、ＬＥＤ等の光源２１とインデックス格子２３、及びスケール１からの光を受光する受光素子アレイ２２により構成されている。受光素子アレイ２２は、複数の受光素子をスケール１の光学格子ピッチとの関係で所定ピッチで配列することにより、複数位相の変位信号が得られるように構成される。
【００１２】
［実施の形態１］
図３は、図１及び図２のいずれの形式にも適用可能なスケール１と受光素子アレイ２２の関係を示している。スケール１の光学格子１２は、測定軸ｘに沿って透過部（又は反射部）１２ａと不透過部（又は非反射部）１２ｂを交互に配列して構成され、そのピッチはλとする。受光素子アレイ２２は、基板３１と、この上に形成された二つの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２とから構成されている。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２はそれぞれ、スケール１の光学格子１２と同じピッチＳ１＝λで測定軸ｘ方向に配列された３本のストライプパターン部３２と、これらを連結する連結部３３とから構成される。
【００１３】
受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の相対位置関係は、一方の受光素子ＰＤ１のストライプパターン部３２がスケール１の光学格子１２の透過部（又は反射部）１２ａと重なるときに、他方の受光素子ＰＤ２のストライプパターン部３２はスケール１の光学格子１２の不透過部（又は非反射部）１２ｂと重なるように設定されている。即ち、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の配列ピッチは、Ｐ１＝３λ＋λ／２に設定されて、これらの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２には逆相のＡ，Ｂ相変位出力信号が得られるようになっている。
【００１４】
図３では、二つの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のみ示しているが、一般的にはこの二つの受光素子を１セットとして、複数セットの受光素子が配置される。また、図３の実施の形態の場合、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２が３本のストライプパターン部３２を持つ例を示しているが、一般的には２本以上のストライプパターン部があればよい。即ち各受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のストライプパターン部３２のピッチは、一般的には、Ｓ１＝ｎλ（ｎ：正の整数）であればよい。また受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の間の隣接するストライプパターン部３２のピッチＳ２は図の場合、Ｓ２＝３λ／２であるが、必要なスペースを確保して且つ逆相出力を得る条件としては一般的には、Ｓ２＝｛（２Ｍ−１）／２｝λ（Ｍ：正の整数）であればよい。
【００１５】
以上から、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の配列ピッチＰ１は一般的には、｛ｎ＋（２Ｍ−１）／２｝λとすればよい。
図３では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の端子配線を省略している。この端子配線を含めて受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の具体的な構造例を示すと、図４のようになる。図４Ａは平面図であり、図４Ｂ，４Ｃはそれぞれ図４ＡのＩ−Ｉ’，II−II’断面図である。
【００１６】
受光素子ＰＤ１，ＰＤ２は、ガラス等の基板３１に堆積形成されたｐ型、ｉ型、ｎ型のアモルファスシリコン層３２１，３２２，３２３をパターニングして作らたフォトダイオードである。このフォトダイオードは、ストライプパターン部３２とこれらの中央部で連結する連結部３３に連続する一つの受光面を持つ。基板表面には予め共通電極３１１が形成されている。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２はＣＶＤ酸化膜等の絶縁膜３１２で覆われ、これにコンタクト孔３１４を開けて配線３１３が形成される。この実施の形態において、配線３１３のコンタクト孔３１４は、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の複数のストライプパターン部３２をそれらの中央部で連結する連結部３３に形成している。
【００１７】
以上のようにこの実施の形態では、一つの受光素子が、通常の光電式エンコーダでの受光素子アレイにおける同相の複数本の受光素子を一体にまとめたものとして構成される。この場合、受光素子内でストライプパターン部３２の間にゴミ等が入り、或いはエッチング残りがあったとしても、変位出力信号には影響がない。この実施の形態の場合、ゴミ等が問題になるのは、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の間のスペースであるが、このスペースは受光素子が１セットの場合には１箇所のみである。また図３の場合、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の間のスペースはλに設定されており、各受光素子内でのストライプパターン部３２のスペースλ／２より大きい。
【００１８】
従ってこの実施の形態によると、スケールピッチλが微細になっても、ゴミ等による歩留まり低下や信頼性低下が抑制され、また異なる位相の変位出力信号間のクロストーク雑音も抑制される。また、連結部に配線コンタクトを形成することにより、やはりスケールピッチλが微細になった場合にも、低抵抗の配線コンタクトがとれる。
【００１９】
［実施の形態２］
図５Ａは、別の実施の形態について、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のレイアウトを示している。先の実施の形態と対応する部分には先の実施の形態と同一符号を付して詳細な説明は省く。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の各部の寸法も先の実施の形態と同様とする。この実施の形態では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のストライプパターン部３２を連結する連結部３３を、ストライプパターン部３２の端部に配置して、ここを配線コンタクト部とする。
このようにすると、先の実施の形態に比べて受光素子ＰＤ１，ＰＤ２内での信号遅延が大きくなるが、配線を端部のみから引き出させるため、配線の幅に対する制限が緩くなる等、デバイス製造は容易になる。
図５Ｂは、図５Ａの受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の両端部に連結部３３を配置したレイアウトである。
【００２０】
［実施の形態３］
図６Ａは、更に別の実施の形態について、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のレイアウトを示している。先の実施の形態と対応する部分には先の実施の形態と同一符号を付して詳細な説明は省く。受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の各部の寸法も先の実施の形態と同様とする。この実施の形態では、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２のストライプパターン部３２を連結する連結部３３を、ストライプパターン部３２の複数箇所に設けて、ここを配線コンタクト部とする。
この実施の形態によると、受光素子ＰＤ１，ＰＤ２内での信号遅延の影響を低減することができる。
図６Ｂは、図６Ａの受光素子ＰＤ１，ＰＤ１の両端部に連結部３３を配置したレイアウトである。
【００２１】
［実施の形態４］
ここまでの実施の形態は、２相の変位出力を得る場合を説明したが、この発明は４相の変位出力を得るエンコーダにも同様に適用できる。図７はそのような実施の形態の４相の受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４のレイアウトを示している。各受光素子の構成は、図３の実施の形態と同じものとしている。この実施の形態の場合、４つの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４を、測定軸方向に配列ピッチＰ２＝３λ＋λ／４で配列している。これにより、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４から、９０°ずつ位相がずれたＡ，ＡＢ，Ｂ，ＢＢ相の変位出力を得ることができる。
【００２２】
図３の実施の形態において説明したように、一つの受光素子のストライプパターン部３２は少なくとも２本あればよい。また、隣接する受光素子のストライプパターン部３２の間隔を（２Ｍ−１）λ／４（但し、Ｍは正の整数）だけ確保するとした場合、この実施の形態での受光素子配列ピッチＰ２は一般的には、Ｐ２＝｛ｎ＋（２Ｍ−１）／４｝λと表される。
【００２３】
この実施の形態によっても先の実施の形態と同様の効果が得られる。受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４のレイアウトとして、図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ或いは図６Ｂの方式を適用することもできる。
また図７では、４個で１セットの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ４を示しているが、複数セットの受光素子を用いることもできる。
【００２４】
［実施の形態５］
図８は、３相の変位出力信号を得るエンコーダに適用した実施の形態について、３相の受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３のレイアウトを示している。各受光素子の構成は、図３の実施の形態と同じものとしている。この実施の形態の場合、３つの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３を、測定軸方向に配列ピッチＰ３＝３λ＋λ／３で配列している。これにより、各受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３から、１２０°ずつ位相がずれたＡ，Ｂ，Ｃ相の変位出力を得ることができる。
【００２５】
図３の実施の形態において説明したように、一つの受光素子のストライプパターン部３２は少なくとも２本あればよい。また、隣接する受光素子のストライプパターン部３２の間隔をＮλ／３（但し、Ｎは３の倍数を除く正の整数）だけ確保するとした場合、この実施の形態での受光素子配列ピッチＰ３は一般的には、Ｐ３＝（ｎ＋Ｎ／３）λと表される。
この実施の形態によっても先の実施の形態と同様の効果が得られる。受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３のレイアウトとして、図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ或いは図６Ｂの方式を適用することもできる。
また図８では、３個で１セットの受光素子ＰＤ１〜ＰＤ３を示しているが、複数セットの受光素子を用いることもできる。
【００２６】
ここまでの実施の形態では、受光素子をアモルファスシリコン膜によるフォトダイオードにより説明したが、単結晶シリコン基板に形成するフォトダイオードとする場合も同様にこの発明を適用することができる。
【００２７】
［実施の形態６］
図９は、この発明を磁気エンコーダに適用した実施の形態である。スケール１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、ここまでの実施の形態と同じである。スケール１は、Ｓ極とＮ極が測定軸ｘに沿ってピッチλで配列されて磁気的格子を構成し、周期的磁界を発生する。センサヘッド２は、基板４１にスケール１の磁界を検出する磁気検出素子として磁気抵抗素子４２を配列して構成されている。
【００２８】
一つの磁気抵抗素子４２は、λの間隔で配置された複数本（図の場合、２本）のストライプパターン部４３とこれらを連結する連結部４４を有する。この様な磁気抵抗素子４２が、図の場合、Ｐ＝２λ＋λ／４のピッチで４個を１セットとして配列されて、それぞれＡ，Ｂ，ＡＢ，ＢＢの４相の変位信号を出力する。一つの磁気抵抗素子のストライプパターン部の間隔は、一般的にはｎλ（ｎは正の整数）とすることができる。
【００２９】
この実施の形態の場合も、スケールピッチの微細化に伴い、異なる位相で配列される磁気抵抗素子を先の実施の形態と同様に組み替えることにより、先の実施の形態と同様の効果が得られる。
なお磁気エンコーダにはスケールからの誘導磁界を検出する誘導式もあり、この場合には磁気検出素子としてコイル等が用いられるが、この誘導式磁気エンコーダにも同様にこの発明の適用が可能である。
【００３０】
［実施の形態７］
図１０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１とこれに対向するセンサヘッド２を有することは、先の実施の形態と同じである。スケール１には所定ピッチで転送電極５１が配列され、センサヘッド２には転送電極５１と容量結合する受信電極群５２と送信電極５３を有する。受信電極群５２がその物理的配置により位相情報を持つ。
【００３１】
通常の場合であれば、受信電極群５２は、例えば図１１Ａに示すように、ピッチλ／３でＡ，Ｂ，Ｃの３相の受信電極が配列され、同相の受信電極が同じ位相の信号を受信する。
これに対してこの実施の形態では、受信電極群５２は、図１１Ｂに示すように、図１１Ａの同相の２本ずつの受信電極をまとめて一つにした受信電極５５を、λ＋２λ／３の配列ピッチで配置して、Ａ，Ｂ，Ｃ相の受信素子とする。各受信電極５５が間隔λのストライプパターン部５３とこれらを連結する連結部５４とから構成されることは、例えば実施の形態１の受光素子と同様である。或いは、図１１Ｃに示すように、受信電極５５をλ＋４λ／３の配列ピッチで配置して、Ａ，Ｂ，Ｃ相の受信素子とする。更には、図１１Ｃに破線で示すように、受信電極５５をλ＋λ／３の配列ピッチで配置して、Ａ，Ｂ，Ｃ相の受信素子とすることもできる。
【００３２】
また、図１１Ａの受信電極配列を、図１２Ａに示すように、同相の２本ずつのの受信電極が隣接するように並べ変えることもできる。この場合、同相の２本ずつの受信電極をまとめて、ストライプパターン部５３と連結部５４からなる一つの受信電極５５にすると、図１２Ｂのようになる。これは、図１１Ｂと同じになる。
この実施の形態の場合も、スケールピッチが微細化したときに受信電極配列に余裕を持たせ、またゴミ等による異なる相の受信電極の短絡を防止して、信頼性向上を図ることができる。
【００３３】
図１１Ｂ或いは図１２Ｂに示すように、受信電極５５を２λ／３の間隔で配列する場合と、図１１Ｃに実線で示すように、受信電極５５を４λ／３の間隔で配列する場合を比較すると、図１１Ｃの構成は平均化効果が大きいが、１セットの受信素子面積が大きくなる。これに対して、図１１Ｂでは、受信素子面積を小さくできる。
この実施の形態では、１２０°位相差の３相の変位信号を出力する場合を説明したが、９０°位相差の４相、或いは１８０°位相差の２相の変位出力を得る静電容量式エンコーダにも同様に適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、微細スケールピッチの場合の信頼性及び歩留まり向上を可能とした変位測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明が適用される光電式エンコーダの構成例を示す図である。
【図２】  この発明が適用される光電式エンコーダの他の構成例を示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態１によるスケールと受光素子の関係を示す図である。
【図４Ａ】  同実施の形態１の受光素子の構造を示す図である。
【図４Ｂ】  図４ＡのＩ−Ｉ’断面図である。
【図４Ｃ】  図４ＡのII−II’断面図である。
【図５Ａ】  実施の形態２による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図５Ｂ】  図５Ａのレイアウトを変形したレイアウトを示す図である。
【図６Ａ】  実施の形態３による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図６Ｂ】  図６Ａのレイアウトを変形したレイアウトを示す図である。
【図７】  実施の形態４による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図８】  実施の形態５による受光素子のレイアウトを示す図である。
【図９】  実施の形態６による磁気エンコーダの構成を示す図である。
【図１０】  実施の形態７による静電容量式エンコーダの構成を示す図である。
【図１１Ａ】  従来の送信電極群の構成を示す図である。
【図１１Ｂ】  図１１Ａと比較して示す実施の形態の送信電極群の構成を示す図である。
【図１１Ｃ】  送信電極群の他の構成を示す図である。
【図１２Ａ】  従来の送信電極群の他の構成を示す図である。
【図１２Ｂ】  図１２Ａと比較して示す実施の形態の送信電極群の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…スケール、２…センサヘッド、２２…受光素子アレイ、ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４…受光素子、３１…基板、３２…ストライプパターン部、３３…連結部、３１３…配線、３１４…コンタクト孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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