JPH0729459Y2 - 光電形エンコ−ダ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、複数個の受光素子を集積化した半導体受光装
置を用いて移動体の移動位置を検出する光電形エンコー
ダに関するものである。

［従来技術］ 移動体の移動位置検出に用いられる従来の一般的な光電
形エンコーダの光学系は、光源，移動スリット板，固定
スリット板及び受光素子の４個の主要部品から構成され
ており、基本的に固定スリット板を含んだ構成をとって
いる。このため、この種のエンコーダで高精度の検出信
号を得るためには、前記各部品のバラツキ，相対位置合
わせ誤差を極力押えなければならない。しかも、固定ス
リット板の光遮断部に対向する受光素子の受光面は、本
質的に受光の機会がなく、受光面積を有効に使用してい
るとは言えない。

そこで、固定スリット板を削除した構成として、第３図
に概略を示すようなエンコーダが考えられている。

第３図において、単一のＮ形半導体基板４上には、隣接
するものどうしが電気角で90°ずつ位相を異にするＡ・
Ｂ・・の各相のエンコーダ信号を発生するために同
一形状で同一特性の受光素子5a〜5dが、等間隔で複数
組、近接して配置され、該各受光素子の素子幅t1と素子
間間隔t2との合計幅は、対向する移動スリット板６のス
リット6aの幅t3のほぼ1/2に設定されている。第４図
（Ａ）は、第３図に示したエンコーダにおける半導体受
光装置の概要を示す平面図である。

第４図（Ａ）において、受光素子5a〜5dの複数組からな
る受光素子群５の左右両端部には、エンコーダ用受光素
子としては使用されていないダミー受光素子5eが配置さ
れている。このダミー受光素子5eの機能を第５図を用い
て説明する。第５図において、Ａ相の受光素子5aが全開
状態、相の受光素子5cが全閉状態、Ｂ及び相の受光
素子5b及び5dが半開状態となっている。通常、集積形受
光素子の各受光素子端部においては、隣接素子からの光
電流信号の混入は本質的に避けられない問題である。

これは、光の照射により発生した小数キャリア11による
拡散電流成分が、空乏層12を通って隣接の受光素子へ拡
散するためである。しかしながら、A,とB,、それぞ
れの相のエンコーダ信号の差電流を波形処理しているエ
ンコーダならば、隣接している受光素子が他チャンネル
となるため、第５図の状態でも相のエンコーダ信号に
対して光電流信号が混入することはなく、差電流の減少
はほとんどなく、S/N比が非常によいエンコーダ信号が
得られる。また、Ａ相の受光素子5aの両端で発生した拡
散電流は、半開状態にあるＢ相の受光素子5b及びダミー
受光素子5eに均一に混入するため、光電流を波形処理し
たＡ相とＢ相の信号波形の相互位相差にほとんど影響を
与えない。このため、片側に隣接する受光素子をもたな
い受光素子は、両側に受光素子が隣接する受光素子より
拡散電流を多く取り込むため、受光感度のバラツキが発
生することになる。このことにより、第４図（Ａ）にお
ける受光素子群５の左右両端部に、前記ダミー受光素子
5eが配置されている。

次に、上記のような半導体受光装置を有する光電形エン
コーダの動作を、第６図（Ａ），（Ｂ）により説明す
る。同図における符号t1,t2,t3,…t8は、移動スリット
板６が定速度で同一方向に順次移動した時の時刻を示す
ものであり、時刻t8以降については時刻t1からの繰り返
しであるので、ここでは省略してある。移動スリット板
６が時刻t1からt8まで順次移動すると、第６図（Ｂ）に
示したようにＡ相と相の受光素子5a,5cからは隣接す
る他チャンネルからの光電流信号の混入による悪影響の
ない、180度位相のずれた、きれいな台形波形のエンコ
ーダ信号13a,13bが得られ、Ｂ相と相の受光素子5b,5d
からもA,相のエンコーダ信号に対して、それぞれ90度
位相のずれたエンコーダ信号13c,13dが得られるので、
第７図に示すような波形処理回路15a,15bを用いること
によって、高精度の矩形波状のエンコーダ信号14a,14b
を得ることができる。

また、固定スリット板が不要なため、各部品の位置合わ
せが容易となり、更に、固定スリット板によって光が遮
断される部分がないので、エンコーダ用受光素子の受光
面積が有効に利用される等、多くのすぐれた利点を有し
ている。

［考案が解決しようとする問題点］ ところで、エンコーダの位置検出の分解能をある程度任
意に変更しようとする場合、固定スリット板を含む従来
の一般的な光電形エンコーダでは、移動スリット板及び
固定スリット板の各スリット幅を変更することによって
対処していた。ところが、固定スリット板を含まない前
記のような半導体受光装置を有する光電形エンコーダで
分解能を変更しようとすると、移動スリット板６のスリ
ット幅を変更すると同時に、受光素子5a〜5eの受光幅を
変更せざるを得ない。また、この種のエンコーダでは、
第４図（Ａ）に示す各受光素子5a〜5eからコンタクト７
の位置に通じる引出し線８をＰ形拡散によって形成して
いるため、分解能変更には不純物拡散工程の変更によっ
て対処せざるを得ないという問題があった。例えば、第
４図（Ａ）に示した受光装置の分解能の1/2の分解能を
もつエンコーダを得るためには、第４図（Ｂ）に示すよ
うに、Ｐ形拡散によって受光素子の幅及び引出し線８を
変更しなければならないことになる。このため、所望の
分解能設定毎にそれぞれ独自の不純物拡散工程を経なけ
ればならない。特に、受光素子と波形処理回路をバイポ
ーラモノリシックICプロセスで１チップに集積している
場合、Ｐ形拡散以降にも不純物拡散工程が存在している
ため、各種の分解能設定に対応するには、拡散仕掛スラ
イス管理等が複雑となり、製造時間が長く、製造コスト
が高くなるという欠点があるため安易には行なえない。

本考案の目的は、半導体受光装置を用いながら、所望の
分解能設定毎にそれぞれ独自の不純物拡散工程を経るこ
となく、製造時間、フォトマスク等の管理の面で有利と
なり、低コストである程度任意の異なる分解能を得るこ
とができる光電形エンコーダを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本考案は、実施例の図面
第１図（Ｂ）〜（Ｄ）及び第２図（Ｂ）に示したよう
に、光源と、スリット板６と、半導体基板４に少なくと
もＡ相,B相，相及び相のエンコーダ信号を発生する
ための複数個の受光素子が形成され且つ該受光素子に引
出し線が接続されてなる半導体受光装置20とを具備し、
光源からの光をスリット板６に形成されたスリット6aを
通して受光素子に当てることによりスリット板６と半導
体受光装置20との間の相対的な移動速度に応じた周期的
な信号を発生する光電形エンコーダを対象とする。この
ような光電形エンコーダにおいて、本考案は、半導体基
板４上に複数個の同一形状の基本受光素子１…を移動方
向に所定の間隔をあけて列設する。そして少なくともＡ
相,B相，相及び相のエンコーダ信号を発生するため
の受光素子を分解能に応じて選択された隣接する所定数
の基本受光素子１を導電材配線（2a〜2d）により並列接
続して構成し、また引出し線も導電材配線（2a〜2d）に
より構成する。

［考案の作用］ 本考案では、隣接する所定数の基本受光素子１を並列接
続して少なくともＡ相,B相，相及び相のエンコーダ
信号を発生するための受光素子を形成し且つ引出し線を
構成する導電材配線2a〜2eのパターンを変更することに
よって、エンコーダの分解能を簡単に変更することがで
きる。言い替えれば、不純物拡散工程によって所望の分
解能を得るために必要な幅寸法の受光素子とそれに応じ
た引出し線とを形成しなければならない従来の光電形エ
ンコーダと比べると、本考案によれば導電材配線のパタ
ーンを変更することにより、簡単に所望の分解能の光電
形エンコーダを得ることができる。本考案の光電形エン
コーダを製造する場合には、一定の不純物拡散工程終了
後、基本受光素子１のコンタクト３の形成を経て、ウェ
ハー上全面に内部配線用アルミが蒸着されたウェハーを
用いて対処できるため、非常に短かいスループット時間
で分解能変更に対応できると同時に、その場合のフォト
マスクの管理、拡散仕掛スライス管理等の点で従来のも
のより製造上有利であるという利点がある。更にこれ
が、バイポーラモノリシックICプロセスで受光素子と波
形処理回路を１チップに集積している場合、特にこの差
は大きくなる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本考案の実施例を説明する。

第１図（Ｂ）〜（Ｄ）は、本考案に係る光電形エンコー
ダの実施例の半導体受光装置及び移動スリット板を示し
たものである。なお第１図（Ａ）は、本考案の理解を容
易にするための参考図である。

本実施例の半導体受光装置においても、第４図に示した
半導体受光装置に準じて、単一のＮ形半導体基板４上
に、Ａ・Ｂ・・各相のエンコーダ信号に対応する同
一形状かつ同一特性の基本受光素子１…が等間隔で複数
個、近接して配置されている。

本実施例においては、Ａ・Ｂ・・各相の受光素子幅
及び受光素子間間隔を、エンコーダの使用しうる最大分
解能に対応させて設定してある。この最大分解能は、ホ
トレジストのマスク合せ誤差、エッチングのバラツキ、
及びホトダイオードの受光感度等を考慮して決定され
る。

更に本実施例では、基本受光素子１…のすべて若しくは
基本受光素子群10の端部の若干の受光素子1eを除く大半
の受光素子１を、隣接する所定の数個［第１図（Ｂ）で
は２個、（Ｃ）では４個、（Ｄ）では５個］ごとに導電
材配線2a〜2dで組合わせて並列接続し、該所定の数個の
基本受光素子ごとに90度の位相差をもつＡ・Ｂ・・
各相のエンコーダ信号を発生する受光素子とする半導体
受光装置20を構成している。

そして、半導体受光装置20に対向する移動スリット板６
のスリット幅は、並列接続した数個の基本受光素子の素
子幅と素子間間隔の合計幅のほぼ２倍に設定してある。

以上の構成により、最大分解能の整数分の１の分解能を
もつ光電形エンコーダを得ている。

次に、分解能を広範囲に変えて設定するための手順を第
１図及び次表を用いて説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｄ）に示した各受光装置20は、上の表
における最大分解能を例えば1000P/Rとしたときに、分
解能がそれぞれ第１図（Ａ）のものが1000P/R、（Ｂ）
のものが500P/R、（Ｃ）のものが250P/R、（Ｄ）のもの
が200P/Rとなるものである。例えば、分解能が500P/Rの
第１図（Ｂ）の場合には、第１図（Ａ）に示した基本受
光素子１…の隣接するものを順次２個ずつ並列接続し
て、Ａ・Ｂ・・の各相のエンコーダ用受光素子を形
成する。分解能が250P/Rの第１図（Ｃ）の場合は基本受
光素子１…の隣接するものを順次４個ずつ並列接続し
て、Ａ・Ｂ・・の各相のエンコーダ用受光素子を形
成する。分解能が200P/Pの第１図（Ｄ）の場合は、基本
受光素子１…の隣接するものを順次５個ずつ並列接続し
て、Ａ・Ｂ・・の各相のエンコーダ用受光素子を形
成する。これらの場合の並列接続結線は、基本受光素子
１の長手方向両端部に設けられた各コンタクト３を通じ
て、アルミ配線2a〜2dで行なわれる。このように並列接
続をした場合、基本受光素子間には、前述の空乏層が分
布しているため、小数キャリアによる拡散電流が生成さ
れて、この部分も実質的な有効受光領域とみなせる。更
に、前記の表の異なる最大分解能のものすべてに対して
組み合わせを変えただけでも合計19種類の分解能が得ら
れ、これにより必要な分解能はほぼ、カバーできること
になる。勿論、上述の組み合わせ以外にも多くの組み合
わせが考えられることは明らかである。しかも、本考案
の光電形エンコーダは、非常に広範囲の分解能を設定し
うるにもかかわらず、基本受光素子群10が半導体基板４
にしめる面積は、第４図の従来例のものと同程度で構成
できることになる。

なお、第１図（Ｂ）で基本受光素子群10の左右両端３個
の基本受光素子は、エンコーダ用受光素子としては使用
しないダミー受光素子1eとなるものである。ダミー受光
素子1eをアルミ配線2eでＮ形半導体基板に接続すること
により、前述したような拡散電流の混入の問題を解決す
ることができる。また、必ずしも左右両端３個の基本受
光素子をダミー受光素子として用いる必要はなく、左右
両端３個の基本受光素子うちの内側の１個の基本受光素
子をダミーとして使用し、残りの使用しない基本受光素
子のコンタクトは遊ばせておけばよい。

このように本実施例では、分解能の変更を隣接する所定
数の基本受光素子１を並列接続するアルミ配線2a〜2dの
変更によって行うという、従来の半導体受光装置におけ
るものと全く異なる構成をとっているので、以下に述べ
るようなすぐれた利点を有している。すなわち、本実施
例では、半導体受光装置の形成に用いる不純物拡散工程
を各種の分解能のエンコーダに共用することができるの
である。これにより、非常に短いスループット時間で各
種の分解能設定に対応できると同時に、その場合のフォ
トマスクの管理、拡散仕掛スライス管理等の点で製造上
有利となる。

しかも、第４図に示す半導体受光装置の利点はそのまま
生かされており、エンコーダ部品の位置合せが容易で、
基本受光素子１の受光面を有効に利用することができる
等、優れた利点を合わせもっている。

次に、本考案の他の実施例を述べる。第２図（Ａ）は、
本出願人が先に出願した正弦波状のエンコーダ信号を得
る光電形エンコーダの半導体受光装置及び移動スリット
板の構成例を示したものである。同図において、第１図
（Ａ）のものと同一部分には同符号を付してある。10A
は半導体基板４上に第１図（Ａ）の受光装置とほぼ同様
に形成された第１の基本受光素子群、10Bは該受光素子
群10Aに対して所定の位相関係をもって該受光素子群10A
と同様の構成で並設された第２の基本受光素子群であ
る。スリット板６における16Aは第１の基本受光素子群1
0Aに対向する第１のスリット群、16Bは該スリット群16A
に対して所定の位相関係をもって並列されて第２の基本
受光素子群10Bに対向する第２のスリット群である。

第２図（Ｂ）の半導体受光装置20は、第２図（Ａ）の受
光装置と同様に列設された各基本受光素子群10A,10Bに
おける基本受光素子１の隣接するもの２個ずつを、第１
図（Ｂ）のものと同様に、アルミ配線2a〜2dにより組み
合わせ並列接続したものである。そして、スリット群16
A,16Bの各スリット幅が、第１図（Ｂ）におけるスリッ
ト幅と同様に、並列接続された２個の基本受光素子１の
素子幅と素子間間隔の合計幅のほぼ２倍に設定されてい
る。

上記第２図（Ａ），（Ｂ）に示した両装置とも、第１ス
リット群16Aに対する第２スリット群16Bの位相は、移動
スリット板６の移動により各受光素子群10A,10Bよりほ
ぼ正弦波状の受光信号が得られるように、両受光素子群
10A,10Bの位相関係に応じて所定の位相関係に設定され
ている。そして、第２図（Ａ）の装置を最大分解能に対
応するものとした場合、第２図（Ｂ）の装置はその1/2
の分解能をもつ正弦波状のエンコーダ信号を出力するも
のとなる。

なお、上記の両受光素子群10A,10Bはいずれも同一の半
導体基板４上に並設したが、それぞれを別個の半導体基
板上に設けて並べてもよく、この場合にも本考案を適用
できるのは勿論である。

また、上記各実施例においては、エンコーダＡ・Ｂ・
相及び相の信号を発生させる場合について説明した
が、その他のエンコーダ信号を発生するために用いられ
る受光素子、例えばエンコーダの基準信号となるエンコ
ーダＣ信号を発生するために用いられる受光素子を構成
する場合にも本考案を適用することができる。また、エ
ンコーダ信号を直接発生する受光素子だけでなく、その
他の目的で半導体受光装置上に形成される受光素子、例
えばバイアス用受光素子等を本考案を用いて構成しても
よいのは勿論である。

更に、上記各実施例ではＮ形半導体基板を用いたカソー
ド共通の半導体受光装置を例示したが、Ｐ形半導体基板
を用いたアノード共通の半導体受光装置でもよく、ま
た、エンコーダ用受光素子と波形処理回路を１チップに
収めた半導体集積回路装置にも本考案に応用可能であ
る。

また、以上説明した全実施例は、光電形リニアエンコー
ダを例示したが、本考案はこれに限定されるものではな
く、光電形ロータリーエンコーダにも適用し得ることは
言うまでもない。

［考案の効果］ 以上のように、本考案によれば、少なくもとＡ相,B相，
相及び相のエンコーダ信号を発生するための複数個
の受光素子を、隣接する所定数の基本受光素子を導電材
配線により並列接続して構成し、また引出し線も導電材
配線により構成するため、半導体基板を共通にして導電
材配線のパターンを変えるだけで、任意の分解能の光電
形エンコーダを簡単に得ることができる。そのため不純
物拡散工程によって受光素子の幅寸法及び引出し線を変
えなければ異なった分解能を得ることができない従来の
光電形エンコーダと比べると、本考案によれば、分解能
の異なる光電形エンコーダを作る場合に、製造時間の短
縮、フォトマスク及び拡散仕掛スライスの管理負担の軽
減、製造コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本考案の第１の実施例の理解を容易にす
るための参考図、第１図（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ本考
案の第１の実施例の要部を示す平面図、第２図（Ａ）は
本考案の第２の実施例の理解を容易にするための参考
図、第２図（Ｂ）は本考案の第２の実施例の要部を示す
平面図、第３図は固定スリット板を省略した光電形エン
コーダの要部の概略構成を示す断面図、第４図（Ａ），
（Ｂ）はそれぞれ従来の光電形エンコーダの半導体受光
装置の一例を示す平面図、第５図は拡散電流が生成され
て隣接受光素子へ混入する状態を示す断面図、第６図
（Ａ），（Ｂ）は第３図に示した光電形エンコーダの動
作の概要を示す説明図、第７図は受光装置よりの信号を
波形処理する信号処理回路のブロック図である。 １……基本受光素子、10……基本受光素子群、2a〜2e…
…導電材配線としてのアルミ配線、４……半導体基板、
６……移動スリット板、10A……第１の基本受光素子
群、10B……第２の基本受光素子群、16A……第１のスリ
ット群、16B……第２のスリット群、20……半導体受光
装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 菊地 敬吾 東京都豊島区北大塚１丁目15番１号 山洋 電気株式会社内 (72)考案者 田中 泰 東京都港区虎ノ門１丁目14番１号 サンク ス株式会社内 (72)考案者 丸島 一夫 東京都港区虎ノ門１丁目14番１号 サンク ス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭47−21153（ＪＰ，Ａ) 実開 昭49−4695（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−67511（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−52219（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−88279（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、スリット板と、半導体基板に少な
   くともＡ相,B相，相及び相のエンコーダ信号を発生
   するための複数個の受光素子が形成され且つ該受光素子
   に引出し線が接続されてなる半導体受光装置とを具備
   し、前記光源からの光を前記スリット板に形成されたス
   リットを通して前記複数個の受光素子に当てることによ
   り前記スリット板と前記半導体受光装置との間の相対的
   な移動速度に応じた周期的な信号を発生する光電形エン
   コーダにおいて、 前記半導体基板上に複数個の同一形状の基本受光素子が
   移動方向に所定の間隔をあけて列設され、 前記少なくともＡ相,B相，相及び相のエンコーダ信
   号を発生するための複数個の受光素子は、それぞれ分解
   能に応じて選択された隣接する所定数の前記基本受光素
   子が導電材配線により並列接続されて構成され且つ前記
   引出し線も導電材配線により構成されていることを特徴
   とする光電形エンコーダ。
2. 【請求項２】前記複数個の基本受光素子は、エンコーダ
   の最大分解能に対応する数だけ設けられた実用新案登録
   請求の範囲第１項記載の光電形エンコーダ。
3. 【請求項３】前記半導体受光装置は、前記半導体基板上
   に前記のように複数個の基本受光素子が列設された第１
   の基本受光素子群と、前記半導体基板と同一若しくは別
   の半導体基板上に前記第１の基本受光素子群に対して所
   定の位相関係をもって該第１の基本受光素子群と同様の
   構成で並設された第２の基本受光素子群とを備え、前記
   各基本受光素子群における隣接する所定数の前記基本受
   光素子が導電材配線により並列接続されて前記少なくと
   もＡ相,B相，相及び相のエンコーダ信号を発生する
   複数個の受光素子が構成されてなり、 前記スリット板は、前記第１の基本受光素子群に対向す
   る第１のスリット群と、該第１のスリット群に対して所
   定の位相関係をもって並設されて前記第２の基本受光素
   子群に対向する第２のスリット群とを有する実用新案登
   録請求の範囲第１項記載の光電形エンコーダ。
4. 【請求項４】前記導電材配線にアルミ配線を用いた実用
   新案登録請求の範囲第１項又は第３項記載の光電形エン
   コーダ。