(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基準格子が形成された反射型スケールと、
前記スケール上に照射するための光束を発する面状発光面を備えた面発光光源と、
前記面発光光源と前記反射型スケールとの間の位置に前記面発光光源と近接させて配置される光透過部材と、
該光透過部材に形成され前記面発光光源の前面に配置された発光側格子と、
前記光透過型部材の内部の前記発光側格子の側方に、複数の受光素子を、それら複数の受光素子の間に所定の間隔を持って配列して構成され前記面発光光源からの光束を前記発光側格子及び前記基準格子を介して受光する受光素子アレイと
を備え、
前記受光素子アレイは、複数の前記受光素子の前記反射型スケール側を共通接続させる透明電極と、複数の前記受光素子の前記面発光光源側に形成される複数の不透明電極と、複数の前記不透明電極を共通接続させる不透明金属配線とを有し、
前記発光側格子は、前記受光素子と同一の半導体を積層させた構造を備えたダミー素子と、このダミー素子上に形成された金属膜とにより構成されたものである
ことを特徴とする光電式エンコーダ。
【請求項２】
前記発光側格子は、該複数の受光素子の前記面発光光源側に設けられ前記受光素子アレイに接続された電極膜である
請求項１に記載の光電式エンコーダ。
【請求項３】
前記光透過部材上の前記面発光光源と対向する位置に形成され、前記面発光光源からの光束を偏向させる偏向光学部材を
備えた請求項１に記載の光電式エンコーダ。
【請求項４】
前記受光素子アレイは、その検出信号の位相が異なる複数の受光素子群からなるとともに、この受光素子群と前記発光側格子とが前記反射型スケールの測定軸方向に交互に配置されている
請求項１に記載の光電式エンコーダ。
【請求項５】
前記発光側格子は、前記受光素子アレイの配線用の金属膜と同一の工程で同一の材料により形成される
請求項４に記載の光電式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電式エンコーダに関し、さらに詳しくは光電式エンコーダの受発光部の構成の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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。
【０００３】
こうした要請に応えるものとして、発光素子と受光素子とを同一の集積回路基板上にモノリシックに形成した光電エンコーダが知られている。しかし、こうしたモノリシック形成による場合には、製品全体の歩留まりが発光素子の歩留まりと受光素子の歩留まりとの両方に影響され、歩留まり率が低下し、その結果製品が高価格になるという問題がある。また、モノリシック形成の場合には、受光・発光素子がスケールに対し剥き出しの状態で向かい合うため、万一接触すると受発光素子が破損する虞がある。
【０００４】
一方、発光素子と受光素子とを別々に製造し、ハイブリッドに実装する方法もあるが、この場合には、発光素子、受光素子の個々の保持部材を用意しなければならず、これが小型化の障害になるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この点に鑑み、歩留まりを出来るだけ維持、向上させながら、なお装置全体の大きさを小さく保つことの出来る光電式エンコーダを提供することを目的とする。また、この接触により、受光・発光素子が破損することがない光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題達成のため、本発明に係る光電式エンコーダは、所定の基準格子が形成された反射型スケールと、前記スケール上に照射するための光束を発する面状発光面を備えた面発光光源と、前記面発光光源と前記反射型スケールとの間の位置に前記面発光光源と近接させて配置される光透過部材と、該光透過部材に形成され前記面発光光源の前面に配置された発光側格子と、前記光透過型部材の内部の前記発光側格子の側方に、複数の受光素子を、それら複数の受光素子の間に所定の間隔を持って配列して構成され前記面発光光源からの光束を前記発光側格子及び前記基準格子を介して受光する受光素子アレイとを備え、前記受光素子アレイは、複数の前記受光素子の前記反射型スケール側を共通接続させる透明電極と、複数の前記受光素子の前記面発光光源側に形成される複数の不透明電極と、複数の前記不透明電極を共通接続させる不透明金属配線とを有し、前記発光側格子は、前記受光素子と同一の半導体を積層させた構造を備えたダミー素子と、このダミー素子上に形成された金属膜とにより構成されたものであることを特徴とする。
【０００７】
本発明において、前記発光側格子は、該複数の受光素子の前記面発光光源側に設けられ前記複数の受光素子に駆動電流を供給する電極膜とすることができる。
また、前記光透過部材上の前記面発光光源と対向する位置に薄膜形成技術により形成され、前記面発光光源からの光束を偏向させる偏向光学部材を備えることもできる。偏向光学部材としては、例えばフレネルレンズが好適である。
また、前記受光素子アレイは、その検出信号の位相が異なる複数の受光素子群に分離されるとともに、この受光素子群と前記発光側格子とが前記反射型スケールの測定軸方向に交互に配置されているようにすることができる。この場合、前記発光側格子は、前記受光素子アレイの配線用の金属膜と同一の工程で同一の材料により形成されるのが好ましい。また、前記発光側格子は、前記受光素子と同様の構造を備えたダミー素子と、このダミー素子上に形成された金属膜とにより構成されたものとすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
［第一の実施の形態］
図１は本発明の第一の実施の形態による反射型の光電式エンコーダの構成を示す。この実施の形態の光電式エンコーダは、反射型スケール１０と、この反射型スケール１０に光を照射するための面発光光源２０と、スケール１０からの反射光を変調して取り出して受光する受光モジュール３０とを有する。
【０００９】
反射型スケール１０は、スケール基板１１に、紙面と垂直な方向（Ｙ軸方向）を長手方向とする基準格子１２を所定のピッチＰ１で形成したものである。
面発光光源２０としては、面発光ダイオードが好適であり、その他、面発光レーザダイオード、有機又は無機ＥＬ素子等が採用できる。
受光モジュール３０は、スケール１０に対して所定のギャップをもって対向配置されて、光源２０と共にスケール１に対して図の矢印ｘ方向に相対移動可能とされる。
【００１０】
受光モジュール３０は、図１に示すように、複数の受光素子ＰＤを所定の間隔を空けてＸ軸方向に並べて形成した受光素子アレイ３０Ａ,３０Ｂとされている。受光素子アレイ３０Ａ、３０Ｂは、その検出信号の位相が９０度異なるものとなるような配置とされており、これにより、変位量のみならず変位方向をも検出可能にされている。
この受光素子ＰＤは、例えば図２に示すように、ＩＴＯ，ＳｎＯ２，ＺｎＯ等からなる共通下部電極としての透明電極３２、Ｐ型半導体層３４、ｉ型半導体層３５、ｎ型半導体層３６、上部電極としての金属膜３７からなるｐｉｎフォトダイオードとすることができるが、ＰＮ構造であってもよい。各受光素子ＰＤは、紙面に垂直な方向（Ｙ軸方向）を長手方向とする短冊形状を所定間隔で並べた形にされている。これらの受光素子ＰＤは、透明電極膜３２、Ｐ型半導体層３４、ｉ型半導体層３５、ｎ型半導体層３６、金属膜３７を順次透明基板３１の全体に堆積させた後、レジスト、露光・現像、エッチングを行なうことにより形成することができる。又は、ガラス基板上に複数の孔部を形成し、この孔部に受光素子ＰＤを埋め込むようにしてもよい。
また、受光素子アレイ３０Ａ、３０Ｂは透明な材料からなる保護膜３３により覆われる。
【００１１】
各受光素子ＰＤに光束が入射されると、金属膜３７には検出信号が現れ、これがフレキシブルプリント基板ＦＰＢにより図示しない内挿回路、信号処理回路に伝達されてスケール１０の相対変位量、変位方向が検出される。フレキシブルプリント基板ＦＲＢは異方性導電テープにより受光モジュール３０と電気的に接続される。なお、フレキシブルプリント基板ＦＲＢを使用せず、図３に示すように、内挿回路や信号処理回路を搭載した回路基板４０を、はんだバンプ又は金バンプ５０により受光モジュール３０と接続してもよい。又は、図４に示すように、ワイヤボンディング６０により回路基板４０と受光モジュール３０とを接続してもよい。
【００１２】
保護膜３３は透明な材料で形成される一方、金属膜３７は不透明な材料で形成されているので、保護膜３３と金属膜３７とは、面発光光源２０からの光束を部分的に透過させる発光側格子として機能する。
【００１３】
この発光側格子は、各格子窓が二次光源となって、面発光光源２０からの光束を変調させつつ透過させる。この透過した光束は、透明電極３２、透明基板３１を透過し、基準格子１２を備えるスケール１０で反射される。反射された光束は透明基板３１、透明電極３２を透過して受光素子ＰＤに受光される。発光側格子を有する受光モジュール３０の移動に伴って、スケール１０からの反射像の明暗のパターンが変化するので、この変化のしかたを調べることにより、スケール１０の相対変位量及び方向が検出できる。
【００１４】
このように、本実施の形態では、面発光光源２０と、受光素子アレイ３０とを別々の工程にて製造し、それぞれの合格品のみを組み立てるようにすることができるので、発光部と受光部をモノリシック的に製造する場合に比べて歩留まりが向上し、製造コストを低減することができ、かつ、面発光ダイオードを面状の受光モジュールに近接させて配置させても破損の心配が無いので、装置の小型化も実現できる。また、面発光光源２０、受光モジュール３０は対向する面が平面であるので、異方導電性テープ、はんだバンプなどの手法により簡単に一体化することができ、面発光光源について別個の保持機構を必要としない。
上記実施の形態では、Ａ，Ｂ相の２相正弦波信号を得るようにしているが、Ａ，Ｂ相に加えてこれらを１８０度反転させた／Ａ、／Ｂ相信号を生成して4相正弦波信号としてもよい。また、変位方向を知る必要がない場合には、受光素子アレイ３０Ａ，３０Ｂのいずれか一方を廃止して単相正弦波信号を得るようにしても良い。
【００１５】
［第二の実施の形態］
次に、本発明の第二の実施の形態を、図５乃至７を用いて説明する。第一の実施の形態では、受光素子アレイ３０Ａ，３０Ｂが発光側格子を兼用していたが、本実施の形態では、図５に示すように、発光側格子７０を受光素子アレイ３０Ａ（３０Ｂ）の側方に別途設けている。すなわち、第一の実施の形態では、受光素子アレイ３０Ａ（３０Ｂ）が発光側格子を兼用しているが、本実施の形態では兼用していない。
【００１６】
また、図５に示すように、面発光光源２０と受光モジュール３０Ａ（３０Ｂ）との間に光束を偏向させるためのフレネルレンズＦＬを配置し、これにより、側方に位置する受光素子アレイ３０Ａ（又は３０Ｂ）に基準格子１２で反射した光束が入射されるようにしてもよい。
【００１７】
図６は受光モジュール３０の断面構造を示している。
透明基板３１の上には、受光素子アレイ３０Ａ（３０Ｂ）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３４，ｉ型半導体層３５，ｎ型半導体層３６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。このフォトダイオードＰＤは、透明な材料からなる保護膜３３で覆われる。また、各フォトダイオードＰＤのｎ型層３６には金属電極３７が形成されている。複数本のフォトダイオードＰＤの金属電極３７を共通接続するように、出力信号線となる金属配線３８が形成されている。
【００１８】
透明基板３１の発光側格子７０の領域には、図６に示すように受光素子アレイ３０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３７が、発光側格子７０の不透過部としてパターニングされている。発光側格子７０の格子ピッチは、スケール１０のスケール格子ピッチＰ１と同じ（或いはより一般的にはＰ１の整数倍）とする。
なお、図６では発光側格子７０としてダミーのフォトダイオードに金属電極３７を形成したものを使用しているが、図７に示すように、ダミーのフォトダイオードを形成させず、保護膜３３上に直接金属膜３７´を形成させてもよい。このとき、金属膜３７´は、金属配線３８と同一の工程により形成するようにするのが好ましい。
【００１９】
本実施の形態においても、面発光光源２０と受光素子アレイ３０とは別々の工程で製造され、それぞれの合格品のみを組み立てるようにすることができるので、発光部と受光部をモノリシック的に製造する場合に比べて歩留まりが向上し、製造コストを低減することができ、かつ、面発光ダイオードを面状の受光モジュールに近接させて配置させても破損の心配がないので、装置の小型化も実現できる。
また、上記実施の形態でも、Ａ，Ｂ相の２相正弦波信号を得るようにしているが、Ａ，Ｂ相に加えてこれらを１８０度反転させた／Ａ、／Ｂ相信号を生成して4相正弦波信号としてもよい。また、変位方向を知る必要がない場合には、受光素子アレイ３０Ａ，３０Ｂのいずれか一方を廃止して単相正弦波信号を得るようにしても良い。
【００２０】
［第三の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態を、図８乃至１１に基づいて説明する。
【００２１】
図８及び９に示すように、受光モジュール３０は、透明基板３１のスケール１０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４５（４５ａ，４５ｂ，４５ａｂ，４５ｂｂ）と、各受光素子群４５の間に形成された、照射光を変調する発光側格子としてのインデックススケール７０´とを有する。受光素子群４５とインデックススケール７０´とが、スケール１の測定軸ｘ方向に交互に配置されている点が、前記の実施の形態とは異なる。面発光光源２０は、この様に受光モジュール３０上に分散的に配置されたインデックススケール７０´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４５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４５はそれぞれ同相の複数本のフォトダイオードＰＤを含んで構成されている。
【００２２】
なお実際の受光モジュール３０では、複数の受光素子群４５とインデックススケール７０´は、図７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。
【００２３】
図１０は、受光モジュール３０の平面図で、図１１は図１０のＡ−Ａ´断面図である。透明基板３１の上には、各受光素子群４５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３４，ｉ型半導体層３５，ｎ型半導体層３６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。このフォトダイオードＰＤは、透明な材料からなる保護膜３３で覆われる。また、各フォトダイオードＰＤのｎ型層３６には金属電極３７が形成されている。各受光素子群４５の中の複数本のフォトダイオードＰＤの金属電極３７を共通接続するように、出力信号線となる金属配線３８が形成されている。
【００２４】
透明基板３１のインデックススケール７０´の領域には、図１１に示すように受光素子群４５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３７が、インデックススケール７０´の不透過部としてパターニングされている。すなわち、本実施の形態でも、第２の実施の形態と同様、受光素子アレイ３０Ａ（３０Ｂ）が発光側格子を兼用していない。
【００２５】
インデックススケール７０´は、図１０に示すように、受光素子群４５に挟まれる形で分散的に形成される。インデックススケール７０´の格子ピッチは、スケール１０のスケール格子ピッチＰ１と同じ（或いはより一般的にはＰ１の整数倍）とし、受光素子群４５を間に挟んで分散されるインデックススケール７０´の配列ピッチＰ２は、Ｐ２＝ｎ・Ｐ１（ｎは正の整数）とする。また受光素子群４５に含まれる複数本のフォトダイオードＰＤは同相であるから、ピッチがＰ１（或いはより一般的にはＰ１の整数倍）とする。受光素子群４５の配列ピッチＰ３は、Ｐ３＝（ｍ＋１／４）Ｐ１（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。
【００２６】
なお、受光素子群４５の配列ピッチＰ３は、４相出力を得るためには、より一般的には、Ｐ３＝（ｍ＋Ｍ／４）Ｐ１（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４５の配列ピッチＰ３は、Ｐ３＝（ｍ＋１／３）Ｐ１（ｍは正の整数）とすればよい。
【００２７】
この様に、この第３の実施の形態では、受光モジュール３０には、受光素子群４５とインデックススケール７０´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４５に用いられる金属電極３７の材料膜をそのままインデックススケール７０´に利用することができる。
なお、この第３の実施の形態では、インデックススケール７０´としてダミーのフォトダイオードに金属電極３７を形成したものを使用しているが、図１２に示すように、ダミーのフォトダイオードを形成させず、保護膜３３上に直接金属膜３７´を形成させてもよい。このとき、金属膜３７´は、金属配線３８と同一の工程により形成するようにするのが好ましい。
【００２８】
［変形例］
上記第1乃至第3の実施の形態ではスケール１０として１次元スケール、１次元受光素子アレイを使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、２次元スケール、２次元受光素子アレイとしてもよい。
また、上記実施の形態において、半導体層３４、３５、３６はアモルファスシリコンとするのが好適であるが、応答性の向上させるためポリシリコンを用いることも可能である。その他ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ等も用いることができる。また上記実施の形態では、半導体層３４、３５、３６をこの順で透明電極３２上に積層させていたが、この順を入れ替えて、半導体層３６，３５，３４の順で透明電極３２上に積層させるようにしてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る光電式エンコーダは、面発光光源と受光素子アレイとは別々の工程で製造され、それぞれの合格品のみを組み立てるようにすることができるので、発光部と受光部をモノリシック的に製造する場合に比べて歩留まりが向上し、製造コストを低減することができ、かつ、面発光光源を面状の光透過部材に近接させて配置させても破損の心配が無いので、装置の小型化も実現できる。また、受発光部の保持機構を簡単化できるので、生産効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施の形態に係る光電式エンコーダの構成を示している。
【図２】  第一の実施の形態に使用される受光モジュール３０の構造を示している。
【図３】  第一の実施の形態に使用される受光モジュール３０と回路基板５０の接続方法の一方法を示している。
【図４】  第一の実施の形態に使用される受光モジュール３０と回路基板５０の接続方法の他の方法を示している。
【図５】  本発明の第二の実施の形態に係る光電式エンコーダの構成を示している。
【図６】  図５に示す受光モジュール３０の断面構造の一例を示す。
図７は、受光モジュール３０の断面構造の他の例を示す。
【図７】  受光モジュール３０の断面構造の他の例を示す。
【図８】  本発明の第三の実施の形態に係る光電式エンコーダの構成を示している。
【図９】  同実施の形態の受光素子群とインデックススケールの複数セットの配置構成を示す図である。
【図１０】  同実施の形態の受光モジュール３０の平面図である。
【図１１】  図８のＡ―Ａ´断面図である。
【図１２】  第三の実施の形態の変形例を示す。
【符号の説明】
１０・・・スケール
２０・・・面発光光源
３０・・・・・・受光モジュール
３１・・・・・・透明基板
３２・・・・・・透明電極
３３・・・・・・保護膜
５０・・・・・・回路基板
７０・・・・・・発光側格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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１１】
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【図１２】
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