JP4880132B2 - 光電式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リニアスケール等に用いられる光電式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より光電式エンコーダとして、３格子型のリニアエンコーダが知られている。３格子型のリニアエンコーダは、スケール格子の他に、光源側の第１のインデックス格子と、受光側の第２のインデックス格子とを有する。光源からの光は、第１のインデックス格子で変調されてスケール格子に照射され、スケール格子からの光は第２のインデックス格子で変調されて受光素子に受光される。スケール格子が反射型の場合、第１及び第２のインデックス格子は、スケールに対して同じ側に配置される。従って、第１及び第２のインデックス格子を同じ透明基板上に形成し、更にこの透明基板の第１のインデックス格子上に発光素子を搭載し、第２のインデックス格子上に受光素子を搭載してセンサモジュールを構成することにより、小型のリニアスケールを構成した例も知られている（特開２０００−３２１０９６号）。近年、機器の精密化・小型化が進み、エンコーダ自体の小型化への需要は高い。これらスケールとセンサヘッドは別部品として製作されており、特にセンサヘッドの大きさは、光電式エンコーダ全体のサイズを決定するのに大きく影響する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光電式エンコーダでは、モジュール化によりセンサヘッドをある程度小型化することはできたが、センサヘッドは、２つのインデックス格子とは別に、光源と受光素子とを搭載しなくてはならないため、センサヘッドの小型化にも限界があり、エンコーダの小型化が難しい。
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、センサヘッドの受光部と発光部を一体化することにより、従来よりもセンサヘッドを小型化・薄型化することのできる光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光電式エンコーダは、対向配置されて測定軸方向に互いに相対移動可能なスケール及びセンサヘッドを備え、前記スケールは、前記センサと対向する面側に前記測定軸方向に沿って反射型のスケール格子が形成されたものであり、前記センサヘッドは、センサ基板と、このセンサ基板上に搭載されて前記スケール格子に光を照射すると共に、所定ピッチで配列されてそれ自身が第１のインデックス格子を構成する複数の発光素子と、前記センサ基板上に搭載されて前記複数の発光素子からスケール格子に照射され前記スケール格子から反射された光を受光すると共に、所定のピッチで配列されてそれ自身が第２のインデックス格子を構成する複数の受光素子とを備えてなることを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、センサヘッドがセンサ基板に複数の発光素子と複数の受光素子とをそれぞれ所定のピッチで配列させて、これら発光素子及び受光素子自体がそれぞれ第１及び第２のインデックス格子を形成するようにしているので、従来のように、インデックス格子上に発光素子や受光素子を搭載する形式のものと比べ、センサヘッドを極めて薄く、且つ小型にすることができ、光電式エンコーダ全体の小型化、薄型化を図ることができる。
【０００６】
特に、前記複数の発光素子及び受光素子が、センサ基板の同一面上に搭載されていると、発光素子及び受光素子を前記センサ基板に対する一連の積層処理によって製造することができ、製造コストの低減を図ることができる。
【０００７】
また、発光素子が、センサ基板上の複数の受光素子の間にそれぞれ配置されていると、両者を別々の領域に形成する場合に比べ、発光素子と受光素子とを共通の領域に効率良く配置することができるので、更にセンサヘッドを小型化することができる。
【０００８】
なお、センサ基板としては、例えばガラス基板のような透明基板を用いることができ、この場合、発光素子及び受光素子は、透明基板に透明電極を介して搭載されることが望ましい。発光素子及び受光素子の両方を透明基板のスケールと対向しない面側に透明電極を介して搭載した場合には、透明電極及び透明基板を介してスケールのスケール格子に光を照射及び受光することになる。この場合、透明基板のスケールと対向する面側には素子が形成されていないので、センサヘッドとスケールとの光学ギャップを正確に設定でき、またセンサの保護にもなるという利点がある。なお、センサ損傷のおそれがないときは、発光素子及び受光素子の両方をスケールと対向する面側に搭載しても良い。この場合には、スケールからの反射光のうち不要なものは透明基板を通過して受光素子に受光されないよようにすることができる。発光素子としては、例えば下地の材料を選ばないエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いることができる。
【０００９】
このような構成の場合、センサヘッドは、例えば透明基板上に透明電極を形成する工程と、前記透明電極上に前記複数の受光素子を所定ピッチで配列形成する工程と、前記複数の受光素子のそれぞれを覆う保護層を形成する工程と、前記透明電極上に前記複数の発光素子を所定ピッチで配列形成する工程とにより製造することができる。
【００１０】
また、センサ基板として、半導体基板を用いることもできる。この場合、半導体基板のスケールと対向する面側に直接、発光素子及び受光素子を作り込むことができる。発光素子としては、発光ダイオード、ＥＬ素子等を用いることができる。
【００１１】
前記センサ基板として、可撓性材料を用いることもできる。このようにフレキシブルな材料を基板として使用することにより、センサヘッドの取付けの制約を少なくすることができると共に、外力による破損の危険性の少ないセンサヘッドを実現できる。
【００１２】
前記発光素子は青色光を発光するものであることが望ましい。波長が短い青色光を発光する発光素子を使用することにより、格子のピッチをより細かくすることが可能となり、応答速度が速く、高精度なセンサヘッドを備えた光電式エンコーダを実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る光電式エンコーダの概略構成を示す斜視図である。
この光電式エンコーダは、所定の光学ギャップを介して対向配置されて測定軸ｘ方向に互いに相対移動可能なスケール１０及びセンサヘッド２０により構成されている。
スケール１０は、測定軸ｘ方向に延びるスケール基板１１上に、スケール格子１２を所定のピッチで形成してなるものである。また、センサヘッド２０は、センサ基板２１上に、スケール格子１２と対向する発光素子２２及びフォトダイオード２３を交互に所定ピッチで配列してなるものである。なお、フォトダイオード２３は、実際には、互いに９０°位相をずらせた位置関係、及びそれぞれの逆位相（１８０°位相差）でＡ相受光素子及びＢ相受光素子と、／Ａ相受光素子（但し“／”は否定を示す）及び／Ｂ相受光素子とを構成している。
【００１４】
図２は、図１のＡ−Ａ’拡大断面図である。センサ基板２１は、この例では、ガラス基板により形成されている透明基板である。センサ基板２１のスケール１０と対向しない面側には、共通下部電極となる透明導電膜２６が形成されている。この透明導電膜２６上に、ｐ型アモルファス半導体層２３ａ，ｉ型アモルファス半導体層２３ｂ，ｎ型アモルファス半導体層２３ｃを順次堆積し、これらの積層膜をパターンニングすることにより互いに分離された複数のフォトダイオード２３が測定軸に沿って所定ピッチで配列形成されている。各フォトダイオード２３の上側には、カソード側の電極となるＡｌ等の導体からなる配線層２７が形成されている。配線層２７が形成されたフォトダイオード２３の上及び側面はＳｉＯ２の絶縁材料からなる保護膜２８で覆われている。配線層２７は保護膜２８に開けられた図示しないコンタクトホールを介して同相グループのフォトダイオード２３同士を互いに接続する。
一方、複数の発光素子２２は、スケール１０の方向へ投光するように隣接する各フォトダイオード２３の間に保護膜２８を介してそれぞれ配置されている。これら複数の発光素子２２及び保護膜２８の上側にはＡｌ等の導体からなる配線層２９が形成されている。具体的に、発光素子２２としては例えば比較的発光強度の強い有機ＥＬを用いることができ、特に青色光を発するものを使用することが望ましい。
【００１５】
透明導電膜２６としては、例えばＩＴＯ，ＳｎＯ２，ＺｎＯ等を用いることができる。アモルファス半導体としてはＳｉがある。更にガラス上に作製できる多結晶材料としてＣｄＳ／ＣｄＴｅ等が受光素子として利用できる。また、フォトダイオードの構造は、ｐｉｎ構造のほか、ｐｎ構造であっても良い。
【００１６】
本形態に係る光電式エンコーダの場合、発光素子２２が格子状に配列されているため、この発光素子２２から照射される光は第1格子としての第1のインデックス格子を通過した時と同様な状態となっている。発光素子２２からの光はスケール１０方向に照射され、スケール１０に形成されている第２格子としてのスケール格子１２により反射される。このスケール格子１２から反射してセンサ基板２１を透過してくる光を同じく自身が格子状に配列形成されている第３格子として第２のインデックス格子の役割も持つフォトダイオード２３により受光し、センサヘッド２０とスケール１０との測定軸ｘ方向の相対変位を検出する。このようにして、３格子型の光電式エンコーダとして機能する。
【００１７】
このように、本形態に係る光電式エンコーダによれば、センサヘッド２０の受光部と発光部を同一基板に配置することによって一体化しているため、従来よりもセンサヘッドを小型化・薄型化することができる。また、受光素子及び発光素子がセンサ基板のスケールと対向しない面側に配置されているため、センサ基板がこれらの素子を塵や衝撃等から保護するカバーの役割を果たし、エンコーダの測定精度の信頼性向上を図ることができる。
【００１８】
また、本形態では絶縁体であるガラス基板をセンサ基板として採用しているため、クロストーク，リーク等の可能性を低減することができる。更に、発光素子が直接透明導電膜に配置されているため、電気的な接続不良等が発生しにくいという効果を奏する。
【００１９】
青色光は赤外光や赤色光等に比べ、波長が短いため光の分解能が高いという特性をもつ。よって、青色光を発光する発光素子を使用することにより、格子のピッチをより微細にすることが可能となり、応答速度が速く、高精度な光電式エンコーダを実現することができる。
なお、本形態においては、発光素子として有機ＥＬを採用しているが、この他発光素子としては、有機ＥＬと同様に下地を選ばないで作製できる無機ＥＬ等を使用しても良い。
【００２０】
図３は、この発明に係る光電式エンコーダの第２の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。本形態は上述の第１の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第１の実施の形態と異なる点は、センサヘッドにおける発光素子２２の配線方法と保護膜にある。
すなわち、本形態におけるセンサヘッド４０では、まず、上述の第1の実施の形態と同様にセンサ基板２１上に透明導電膜２６、フォトダイオード２３及び配線層２７を形成した後、この上からＳｉＯ２やＳｉＮ等の透明絶縁材料からなる保護膜４１が形成される。更に保護膜としてＳＯＧ（スピンオングラス材料）を用いれば、表面を平坦に形成することが可能である。
その後、隣接する各フォトダイオード２３の間の保護膜４１に透明導電膜２６まで貫通するコンタクトホールを形成し、このコンタクトホールにＩＴＯ，ＳｎＯ２，ＺｎＯ等からなる透明導電膜配線４２を形成する。
続いて、複数の発光素子２２が、隣接する各フォトダイオード２３の間の透明導電膜配線４２上にそれぞれ配置される。このような配置とすることによって、発光素子２２と透明導電膜２６とがコンタクトホールを貫通している透明導電膜配線４２を介して電気的に接続される。最後に、上方から同じくＡｌ等の導体からなる配線層２９を発光素子２２との導通が確保できるようにパターンニングすることで完成する。
【００２１】
図４は、この発明に係る光電式エンコーダの第３の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。本形態は上述の第２の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第２の実施の形態と異なる点は、発光素子２２の配線部分にある。
すなわち、本形態におけるセンサヘッド５０では、発光素子２２の下側の透明導電膜配線４２が透明導電膜２６以外の部分と電気的に接続され、発光素子２２への電力供給を行う。
【００２２】
図５は、この発明に係る光電式エンコーダの第４の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。本形態は上述の第３の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第３の実施の形態と異なる点は、センサヘッドにおける配線にある。
すなわち、本形態におけるセンサヘッド６０では、保護膜４１の間にＡｌ等の導体からなる配線層６１を形成し、発光素子２２と配線層６１とがコンタクトホールを貫通している透明導電膜配線８’を介して電気的に接続される。このとき、配線層６１は透明導電膜の他、光を通さないＡｌ等の導体によって形成することができる。このため、発光素子２２と配線層６１とを図の紙面に直交する方向にずらす等して、発光素子２２は、配線層６１の配線パターンを避けて、スケール格子１２の方向へ投光可能なように配置される。
【００２３】
図６は、この発明に係る光電式エンコーダの第５の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。本形態は上述の第1の実施の形態の応用である。本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第１の実施の形態と異なる点は、センサヘッドにおける発光素子と受光素子の配置の位置関係及び保護膜にある。
すなわち、本形態におけるセンサヘッド７０では、まず、センサ基板２１のスケール１０と対向しない面側に、共通下部電極となる透明導電膜２６が形成される。この透明導電膜２６上に、複数の発光素子２２が測定軸に沿って所定ピッチで配列される。次に、これら複数の発光素子２２の上にＡｌ等の導体からなる配線層８を形成する。続いて、この上からＳｉＯ２やＳｉＮ，ＳＯＧ等の透明絶縁材料からなる保護膜５が形成される。
【００２４】
その後、この保護膜５の上に共通下部電極となる透明導電膜７１が形成される。この透明導電膜７１上には、ｐ型アモルファス半導体層２３ａ，ｉ型アモルファス半導体層２３ｂ，ｎ型アモルファス半導体層２３ｃ及び配線層２７を順次堆積し、これらの積層膜をパターンニングすることにより互いに分離された複数のフォトダイオード２３が、測定軸に沿って所定ピッチで配列形成される。この時、各フォトダイオード２３は、それぞれ複数の発光素子２２の間に位置するように配列形成される。そして、各フォトダイオード２３の上から再びＳｉＯ２等の絶縁材料からなる保護膜７２を形成することにより、センサヘッド７０が完成する。
本形態によれば、上述の第1の実施の形態による効果に加え、発光素子とフォトダイオードとを別々の階層に配列形成しているため、フォトダイオードと発光素子との間での干渉がなく，クロストーク等の問題も発生しにくい。すなわち、受光素子，発光素子によって形成している光学格子の配列ピッチを微細化しやすく、より高精度な光電式エンコーダを容易に実現できるという効果を奏する。
【００２５】
図７は、この発明に係る光電式エンコーダの第６の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。本形態は上述の第１の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダが、上述の第１の実施の形態と異なる点は、センサヘッドにおける発光素子の配置にある。
すなわち、本形態におけるセンサヘッド８０は、まず、上述の第１の実施の形態と同様にセンサ基板２１上に透明導電膜２６、複数のフォトダイオード２３及びカソード側の電極となるＡｌ等の導体からなる配線層２７が順次形成される。
続いて、センサ基板２１の下面側すなわち図示しないスケールと対向する面側にも同様に透明導電膜８１を形成する。その後、この透明導電膜８１の下面に図示しないスケールの方向へ投光するように発光素子２２を配置する。この時、複数の発光素子２２は、それぞれ複数のフォトダイオード２３の間に位置するように配列形成される。最後に、発光素子２２の下面にＩＴＯ，ＳｎＯ２，ＺｎＯ等からなる透明導電膜配線４２を形成することにより、センサヘッド８０が完成する。
【００２６】
本形態にかかる光電式エンコーダによれば、基板のスケールと対向する面側に発光素子を配置しているため、発光素子とフォトダイオードとの間での干渉がなく，クロストーク等の問題も発生しにくい。すなわち、受光素子，発光素子によって形成している光学格子の配列ピッチを微細化しやすい。よって、上述の第1の実施の形態の効果に加え、より高精度な光電式エンコーダを容易に実現できるという効果を奏する。
【００２７】
図８は、この発明に係る光電式エンコーダの第７の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。本形態は上述の第１の実施の形態の応用である。
本形態に係る光電式エンコーダのセンサヘッド９０は、まず、上述の第１の実施の形態と同様にセンサ基板２１上に透明導電膜２６及び複数のフォトダイオード２３を形成した後、これらフォトダイオード２３の上側にカソード側の電極となるＡｌ等の導体からなる配線層２７が形成される。
続いて、複数の発光素子２２を、センサ基板２１のフォトダイオード２３が配置されている面側すなわち図示しないスケールと対向しない面側の各フォトダイオード２３が形成されていない領域に測定軸に沿って所定ピッチでそれぞれ配置する。
【００２８】
最後に、複数の発光素子２２の上側にＡｌ等の導体からなる配線層２９を形成することにより、斜め入射式のセンサヘッド９０が完成する。
【００２９】
図９及び図１０は、本形態にかかる光電式エンコーダの平面図である。図９は、発光素子２２とフォトダイオード２３とをスケール１０の長手方向に配列させた例、図１０は、発光素子２２とフォトダイオード２３とをスケール１０の短手方向に配列させた例をそれぞれ示している。
【００３０】
本形態にかかる光電式エンコーダによれば、基板のスケールと対向しない面側の受光素子が形成されていない領域に発光素子を配置しているため、発光素子とフォトダイオードとの間での干渉，クロストーク等の問題が発生しにくい。すなわち、受光素子，発光素子によって形成している光学格子の配列ピッチを微細化しやすい。よって、上述の第1の実施の形態の効果に加え、より高精度な光電式エンコーダを容易に実現できるという効果を奏する。
【００３１】
また、上述した各実施の形態において、必要に応じて、センサ基板としてフレキシブル樹脂基板等の可撓性材料を採用することもできる。可撓性材料を基板として使用することにより、センサヘッドの取付け位置等の制約を少なくすることができると共に、外力による破損の危険性の少ないセンサヘッドを実現できる。もちろん、基板としてＳｉ基板等を採用することにより、フォトダイオードや発光素子としてのＬＥＤ等を直接Ｓｉ基板上に作りこむことができ、さらに薄型化を図ることもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、センサヘッドがセンサ基板に複数の発光素子と複数の受光素子とをそれぞれ所定のピッチで配列させて、これら発光素子及び受光素子自体がそれぞれ第１及び第２のインデックス格子を形成するようにしているので、従来のように、インデックス格子上に発光素子や受光素子を搭載する形式のものと比べ、センサヘッドを極めて薄く、且つ小型にすることができ、光電式エンコーダ全体の小型化、薄型化を図ることのできる光電式エンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る光電式エンコーダの概略構成を示す斜視図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ’拡大断面図である。
【図３】 この発明に係る光電式エンコーダの第２の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。
【図４】 この発明に係る光電式エンコーダの第３の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。
【図５】 この発明に係る光電式エンコーダの第４の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。
【図６】 この発明に係る光電式エンコーダの第５の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。
【図７】 この発明に係る光電式エンコーダの第６の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。
【図８】 この発明に係る光電式エンコーダの第７の実施の形態のセンサヘッド部分を示す断面図である。
【図９】 同センサヘッドの平面図である。
【図１０】 同センサヘッドの他の構成例の平面図である。
【符号の説明】
１０…スケール、１１…スケール基板、１２…スケール格子、２０…センサヘッド、２２…センサ基板、２２…発光素子、２３…フォトダイオード、２６…透明導電膜、２７，２９…配線層、３０，５０，６０，７０，８０，９０…センサヘッド。

Claims (3)

1. 対向配置されて測定軸方向に互いに相対移動可能なスケール及びセンサヘッドを備え、
   前記スケールは、前記センサと対向する面側に前記測定軸方向に沿って反射型のスケール格子が形成されたものであり、
   前記センサヘッドは、
   ガラス基板からなるセンサ基板と、
   このセンサ基板上に搭載されて前記スケール格子に光を照射すると共に、所定ピッチで配列されてそれ自身が第１のインデックス格子を構成する、エレクトロルミネッセンス素子からなる複数の発光素子と、
   前記センサ基板上の前記複数の発光素子による第１のインデックス格子が形成されていない領域に搭載されて前記複数の発光素子からスケール格子に照射され前記スケール格子から反射された光を受光すると共に、所定のピッチで配列されてそれ自身が第２のインデックス格子を構成する複数の受光素子と
   を備えてなる
   ことを特徴とする光電式エンコーダ。
2. 前記発光素子及び受光素子は、前記センサ基板の同一面上に搭載されていることを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
3. 前記センサ基板は、透明基板であり、
   前記発光素子及び受光素子は、前記透明基板の前記スケールと反対側の面に透明電極を介して搭載されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。

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