JPH0656304B2 - 光電型エンコーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光電型エンコーダ、特にスケールと光学系の改
良に関する。

［従来の技術］ 各種測定器、工作機械、さらに最近は各種情報機械等に
も相対移動する二つの部材の変位量を検出するため各種
エンコーダが用いられており、非接触で変位量検出が可
能なところから光電型エンコーダが汎用されている。

該光電型エンコーダは相対移動する二つの部材のそれぞ
れに設けられた格子と、該格子の重なり合いを検出する
ための発光素子および受光素子より成る。

このような従来の光電型エンコーダとしては、通常の２
枚の格子の重なり合いを検出するエンコーダの他、第７
図に示すような３枚の格子の重なり合いの変化により変
位量を検出する、所謂３格子式（Journal of the potic
al society of America, 1965, vol,55, No,4, p373-38
1）、或いは第８図に示すような反射式の光電型エンコ
ーダ（特開昭５７−１９８８１４）等が周知である。

第７図に示す３格子式エンコーダ１０は、平行配置され
た発光側格子１２、検出側格子１４と、両格子１２，１
４の間に相対移動可能に平行配置された基準格子１６
と、前記発光側格子１２の図中左側に配置された発光素
子１８と、前記検出側格子１４の図中右側に配置された
受光素子２０と、を含む。

そして、発光素子１８から出射された光は発光側格子１
２、基準格子１６、検出側格子１４を介して受光素子２
０に至り、該受光素子２０は各格子１２，１４，１６で
制限された照射光を光電変換し、さらにプリアンプ２２
により増幅して検出信号ｓを得る。

ここで、基準格子１６が発光側格子１２、検出側格子１
４に対し例えば矢印ｘ方向に相対移動すると、発光素子
１８からの照射光のうち格子１２，１６，１４により遮
蔽される光量が徐々に変化し、検出信号ｓは略正弦波と
して出力される。

そして、前記基準格子１６のピッチＰ_１と検出信号ｓの
波長が対応し、該検出信号ｓの波長およびその分割値よ
り前記基準格子１６の相対移動量を測定するものであ
る。

従って、基準格子１６をメインスケール２４に、発光側
格子１２，検出側格子１４をインデックススケール２６
にそれぞれ設置することにより、両スケールの相対移動
量を検出することができる。

一方、第８図には反射式光電型エンコーダ１０が示され
ており、前記第７図と対応する部分には同一符号を付し
説明を省略する。

図示例においてはメインスケール２４およびインデック
ススケール２６は光透過性のガラスより形成され、メイ
ンスケール２４には反射性の基準格子１６を形成し、イ
ンデックススケール２６には受光素子２０を格子状に形
成する。

従って、インデックススケール２６は、受光素子２０に
より前記第７図の発光側格子１２及び検出側格子１４に
対応するスリットが構成されることとなる。

そして、発光素子１８からの光は、コリメータレンズ２
８により平行光に調整され、インデックススケール２６
の裏面から照射される。

この結果、受光素子２０が形成されていない部分からの
み光が透過しメインスケール２４に照射される。

さらに、メインスケール２４上の基準格子１６に反射さ
れた光は再度インデックススケール２６方向へ進行し、
受光素子２０で光電変換される。

ところが、基準格子１６の間隙に照射された光は、メイ
ンスケール２４がガラス製であるところから透過してし
まい、前記受光素子２０には至らない。

以上のようにしてメインスケール２４とインデックスス
ケール２６の相対移動量は前記第７図の方式と同様に受
光素子２０に略正弦波として検出されることとなる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、例えば第７図に示したような透過式の３
格子式光電型エンコーダによれば、スケール２４，２６
の両側に発光素子１８、受光素子２０を配置しなければ
ならず、部品点数が多く製造が煩雑であると共に、その
形状が大きくなってしまうという課題があった。

この点は第８図に示した反射式光電型エンコーダにおい
ても全く同様で、特に同図に示すような方式ではコリメ
ータレンズ２８を設けて光を分配しなければならず、や
はり装置の大型化は避けられないものであった。

本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであ
り、その目的は機構が簡単で、しかも小型軽量化を図る
ことのできる光電型エンコーダを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本出願の請求項１記載の発
明にかかる光電型エンコーダは、その発光側格子基板を
板状発光素子より形成し、該板状発光素子の基準格子対
向面に遮光材を一定間隔で発光側格子の形状に配置した
ことを特徴とする。

また、本出願の請求項２記載の光電型エンコーダは、そ
の発光側格子基板が板状発光素子より形成され、該板状
発光素子の一面に受光素子を一定間隔で整列配置したこ
とを特徴とする。

［作用］ 本発明にかかる光電型エンコーダは前述した手段を有す
るので、発光側格子基板と発光素子が一体形成されるこ
ととなり、部品点数の削減、小型軽量化が図られること
となる。

また、反射式光電型エンコーダにおいて、発光側格子基
板を構成する発光素子上に格子状受光素子を形成するこ
ととしたので、発光素子、受光素子、発光側格子、検出
側格子を全て一部材で構成することが可能となり、さら
に部品点数の削減、小型軽量化が図られることとなる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明す
る。尚、前記従来技術と対応する部分には符号１００を
加えて示し説明を省略する。

第１図には本発明の一実施例にかかる光電型エンコーダ
に用いられる発光側格子基板の外観斜視図が示されてい
る。

同図に示す発光側格子基板１３０は、薄型長方形状に構
成され、極性の異なる半導体層１４０、１４２を積層配
置して両者間に発光用の接合面を形成している。

本実施例においては、第１の半導体層１４０はＰ型Ｇａ
Ａｓ、第２の半導体層１４２はＮ型ＧａＡｓから成り、
主として近赤外光を発光する。

そして、前記両半導体層１４０，１４２の端面には電極
用金属膜１４４，１４６が金の蒸着によって形成されて
いる。

前記両電極用金属膜１４４，１４６にはそれぞれ高圧側
リード線１４８および低圧側リード線１５０がボンディ
ング接続されており、両電極を介して各半導体層１４
０，１４２に正孔および電子の注入が行なわれる。

従って、このように注入された正孔および電子は両半導
体層１４０，１４２の接続面において再結合し、この時
電子励起エネルギーによって所定の周波数の発光が行な
われるのである。

本発明において特徴的なことは、このような発光素子自
体が発光側格子基板となっていることであり、このため
本実施例においては前記発光が外部に出射する側の金属
膜１４４が格子を形成している。すなわち、本実施例に
おいては電極用金属膜１４４には一定間隔でスリット１
４４ａが複数設けられているのである。

このスリットは、例えば２０μmピッチ、１０μmスリッ
トで構成されている。

従って、前記接合面からの発光は電極用金属膜１４４の
スリット１４４ａから外部に出射し、この光ビームの光
束形状は前記開口１４４ａのスリット形状によって定め
られることとなる。

尚、本実施例において反対側の電極用金属膜１４６は第
２の半導体層１４２の端面全部を覆い、また両半導体層
１４０，１４２の側面はその厚みが薄く、更に接合面と
は直交しているので発光がこれらの面から外部に漏洩す
る量は僅かであり、接合面での発光は効率的にスリット
１４４ａから出射することができる。無論、前記側面を
黒色塗料等で遮光することも好適である。

また、本発明において、両半導体層１４０，１４２はそ
の極性すなわちＰ型及びＮ型を逆転して配置することも
可能である。

また、本実施例では近赤外光を発光することとしたが、
例えば半導体としてＧａＰあるいは（ＧａＡｌ）Ａｓ等
を用いることも好適であり、必要に応じて可視光の発光
を可能とする。

また、電極用金属膜の形成には、前述した蒸着のほか、
スパッタリングその他任意の手法を用いることができ
る。

第２図には第１図に示した発光側格子基板１３０を光電
型リニアエンコーダに用いた状態が示されている。

即ち、被測定物の長さに応じて相対移動する基準格子１
１６と発光側格子１１２，検出側格子１４とで３格子シ
ステムを構成している。

そして、本実施例ではそれぞれがインデックススケール
よりなる４組の検出格子１１４ａ，１１４ｂ，…１１４
ｃを備えており、各検出格子に対応して受光素子１２０
ａ，１２０ｂ，…１２０ｃが配置されている。それぞれ
の検出格子１１４ａ，…１１４ｃは位相が互いに９０度
ずつずれたピッチの縦縞状目盛りが形成されている。従
って、各受光素子１２０ａ，…１２０ｃからはそれぞれ
π／２ずつ位相のずれたＡ相、Ｂ相、相、相の信号
を得ることができ、Ａ相−相により振幅増幅したＡ相
出力を、Ｂ相−相により同じく振幅増幅されたＢ相出
力を得る。該Ａ相出力およびＢ相出力の位相のずれ方向
等よりスケールの相対移動方向の弁別および電気的に検
出信号の分割を行ない、分解能の高い変位量検出を行な
っている。

ここで、本実施例においては、前述したように発光側格
子基板１３０が発光素子より形成され、該発光素子に直
接発光側格子１１２が形成されているので、前記第７図
と比較しても明らかなように部品点数の削減および形状
の小型化が図られている。

第３図には本発明の第２実施例にかかる光電型エンコー
ダの概略構成図が示されており、前記第２図と対応する
部分には符号２００を加えて示し説明を省略する。

本実施例において特徴的なことは、発光側格子基板２３
０を発光素子から形成すると共に、検出側格子基板２３
２を受光素子と一体形成したことである。

即ち、本実施例にかかる検出側格子基板２３２は、第４
図に示すように構成されている。

第４図において、検出側格子基板２３２は、例えばガラ
スよりなる光透過性基材２５０上に光遮断性且つ導電性
材料、例えば金属膜より成る第１信号導出材層２５２
と、光を電気信号に変換するＰＮ半導体層２５４と、光
透過性且つ導電性材料例えばＩｎ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２，Ｓ
ｉまたはこれらの混合物からなる第２信号導出材層２５
６と、をこの順序で積層形成した受光部２５８を細帯状
に一定ピッチで形成している。

そして、検出側格子基板２３２は、その受光部２５８を
メインスケール２２４に対向して配置し、各受光部２５
８が第２図において受光素子１２０および検出側格子１
１４のスリットの役目を果すのである。

なお、受光部２５８の第２信号導出材層２５６を通過し
た光はＰＮ半導体層２５４に至り、Ｎ型非晶質シリコン
膜２６０とＰ型非晶質シリコン膜２６２の境界面で光電
変換され、出力端子２６４，２６６から外部に取り出さ
れる。

以上説明したように、本発明の第２実施例にかかる光電
型エンコーダによれば、発光側格子基板を発光素子と一
体形成すると共に、検出側格子基板を受光素子と一体形
成することとしたので、更に部品点数の削減、小型軽量
化が図られることとなる。

第５図には本発明の第３実施例にかかる光電型エンコー
ダが示されており、前記第２実施例と対応する部分には
符号３００を加えて説明を省略する。

本実施例において特徴的なことは、反射式の光電型エン
コーダにおいて発光側格子基板、発光素子、検出側格子
基板、受光素子を一体形成したことにある。

即ち、第５図においてインデックススケール３７０は、
その基板が長尺状の発光素子３７２から構成され、その
一面に受光部３５８が形成されている。

従って、発光素子３７２から発した光は、メインスケー
ル３２４の基準格子３１６に反射され、受光部３５８に
至ることとなる。

この際、発光素子３７２上に一定間隔で形成された受光
部３５８が発光側格子の役割を果し、更に受光部３５８
自体が格子状に形成されているため、検出側格子の役割
をも果すものである。

ここで、インデックススケール３７０の詳細な構成が第
６図に示されている。

同図より明らかなように、発光素子３７２は、Ｐ型半導
体層３４０とＮ型半導体層３４２とから形成される。

そして、該長尺状発光素子３７２上に一定間隔で受光部
３５８が形成される。

尚、各受光部３５８の構成は前記第４図に示した通りで
ある。

次に、本実施例にかかるインデークススケール３７０の
製造方法について説明する。

先ず、長尺状の発光素子３７２を常報により形成する。
そして、該発光素子３７２を真空蒸着装置内に装着し、
５×１０^-6torrの真空度の環境下で、１５０〜２００℃
に加熱し、タングステンボードからＣｒを蒸着させ、発
光素子３７２上にＣｒを蒸着させて２０００〜３０００
Åの厚さの第１信号導出材層３５２となるＣｒ膜を形成
する。

次に、前記Ｃｒ膜を形成した発行素子３７２をブラズマ
チャンバーに入れて３００℃に加熱し、ＳｉＨ_４１０％
を含むＡｒガスをＨ_２ガスにより１０倍希釈したガスを
前記プラズマチャンバー内に導入する。そして、０．１
〜２torrの圧力下で高周波グロー放電により、Ｎ型非晶
質シリコン（Ｎ−ａ−Ｓｉ）膜３６０およびＰ型非晶質
シリコン（Ｐ−ａ−Ｓｉ）膜３６２を、前記第１信号導
出材層３５２上に積層し、これによって約１μmの厚さ
の半導体層３５４を形成する。

前記Ｎ型非晶質シリコン膜３６０は、析出初期に微量の
ＰＨ_３を反応ガス中に混入することにより、またＰ型非
晶質シリコン膜３６２は途中で前記ＰＨ_３をＢ_２Ｈ_６に
切換えることによりそれぞれ析出させる。ここで、ＰＮ
半導体層３５４の形成は、熱分解法、スパッタリグ蒸着
法等の他の方法によっても形成することが可能である。

次に、ＰＮ半導体層３５４を形成した発光素子３７２を
真空蒸着層内に入れ、１５０℃に加熱し、アルミナ壷に
入れたＩｎ_２Ｏ_３を電子ビーム蒸着法により約１０００
Åの厚さのＩｎ_２Ｏ_３膜として蒸着させ、これによって
前記ＰＮ半導体層３５４の上に第２信号導出材層３５６
を形成する。

次に、スピン塗装法によりホトレジストを約２μmの厚
さに塗布し乾燥させる。更にマスクにより出力端子部３
６６を遮光した後、紫外線で露光して現像し、出力端子
部３６６のホトレジストを除去する。

ついで、ケミカルエッチングあるいはプラズマエッチン
グ等の方法により、出力端子３６６部分の第２信号導出
材層３５６およびＰＮ半導体層３５４を除去し、第１信
号導出材層３５２を露出させる。

同様にして、受光部３５８の間の光導出スリット３７４
部分以外の部分をホトレジストで覆い、該光導出スリッ
ト３７４に該当する第１，第２信号導出材層３５２，３
５６およびＰＮ半導体層３５４をプラズマエッチング等
により除去し、発光素子３７２を露出させる。

尚、光導出スリット３７４の幅は受光部３５８の発光素
子３７２の表面からの高さの２倍以上とすると明暗を検
知するのに好適である。

次に、第１信号導出層３５２および第２信号導出層３５
６から出力電流を取出すための導線を前記出力端子３６
４，３６６に銅電線接着剤により取付け、最後にＰＮ半
導体層を保護するために全体に薄くシリコンワニスを塗
布乾燥して完成させる。

以上のように、本実施例にかかる光電型エンコーダによ
れば、インデックススケールとメインスケールの二部材
のみで３格子システムの光電型エンコーダを構成するこ
とが可能となり、部品点数の大幅な削減、装置の小型軽
量化を図ることができる。

尚、前記各実施例によれば、３格子式光電型エンコーダ
を主体に説明したが、本発明は通常の２格子式光電型エ
ンコーダ等にも適用可能である。

また、前記各実施例によれば、リニアエンコーダを例に
とり説明したが、これに限られるものではなく例えばロ
ータリーエンコーダ等にも適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本出願の請求項１記載の光電型エ
ンコーダによれば、発光素子と発光側格子基板とを一体
形成したので、装置の小型軽量化、部品点数の削減を図
ることが可能となる。

又、本出願の請求項２記載の光電型エンコーダによれ
ば、発光素子、発光側格子基板、受光素子、検出側格子
基板を一体形成することとしたので、更に部品点数の削
減、装置の小型軽量化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例に係る光電型エンコーダに
用いられる発光側格子基板の説明図、 第２図は第一実施例に係る光電型エンコーダの概略構成
図、 第３図は本発明の第二実施例に係る光電型エンコーダの
概略構成図、 第４図は第二実施例に用いられる検出側格子基板の説明
図、 第５図は本発明の第三実施例に係る光電型エンコーダの
説明図、 第６図は第三実施例に係る光電型エンコーダに用いられ
るインデックススケールの説明図、 第７図は従来の３格子式光電型エンコーダの概略構成
図、 第８図は従来の反射式光電型エンコーダの概略説明図で
ある。 １０，１１０，２１０，３１０……エンコーダ、 ２４，１２４，２２４……メインスケール、 ２６，１２６，２２６……インデックススケール、 １３０，２３０……発光側格子基板、 ２３２……受光側格子基板、 ３７０……インデックススケール。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の基準格子が形成されるメインスケー
   ルと、 前記メインスケールに対し相対移動可能に並列配置さ
   れ、所定の発光側格子が形成されたインデックススケー
   ルと、 を含み、前記基準格子及び発光側格子により制限された
   光を受光して前記メインスケールとインデックススケー
   ルとの相対移動量を出力する光電型エンコーダにおい
   て、 発光側格子基板を面発光する板状発光素子により形成
   し、その基準格子対向面に薄膜状遮光材を一定間隔で前
   記発光側格子の形状に配置したことを特徴とする光電型
   エンコーダ。
2. 【請求項２】所定の基準格子が形成されるメインスケー
   ルと、 前記メインスケールに対し相対移動可能に並列配置さ
   れ、発光側格子及び検出側格子が形成されるインデック
   ススケールと、 を含み、前記発光側格子を介した光が基準格子で反射さ
   れ、更に検出側格子により制限された光を受光して、メ
   インスケールとインデックススケールとの相対移動量を
   出力する光電型エンコーダにおいて、 前記発光側格子基板を板状発光素子より形成し、該板状
   発光素子の一面に一定間隔で受光素子を整列配置し、 前記発光素子より出射した光が受光素子間を介してメイ
   ンスケールの基準格子により反射され、発光素子上の受
   光素子により受光されることを特徴とする光電型エンコ
   ーダ。