CN100335863C - 光电式编码器 - Google Patents
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Abstract
提供一种光电式编码器。在光电式编码器的光接收芯片上，沿测定轴配置多个光电二极管。在这些光电二极管的各光接收面上，形成具有在y方向上延长的遮光部的第2光学格子。各光接收面有相对于遮光部延长的方向倾斜配置的部位。
Description
技术领域
本发明涉及用于精密测定的光电式编码器。
背景技术
以往，在直线位移和角度位移等的精密测定中使用光电式编码器(以下，有时也称为‘编码器’)。编码器被装载在三维测定机或图像测定机等上。编码器由光源、包含光学格子的标尺、以及相对标尺可与光源一起相对移动配置的光接收部构成。光接收部包括例如四个光接收元件(例如光电二极管(photodiode))、以及对应各光接收元件的光接收面配置的彼此相位不同的四个标定格子(index grating)。
下面简单说明编码器的动作。使光源与光接收部一起相对于标尺相对移动，同时将来自光源的光通过包含标尺的光学格子的光学***照射到光接收部的四个标定格子。即，使光接收部的标定格子相对于标尺的光学格子相对移动，同时将来自光源的光照射到标尺的光学格子所生成的干涉条纹(interference fringes)(明暗图形的一例)照射到光接收部的标定格子。由此，生成正弦波状地变化光的强弱的四个光信号。这些光信号有相互不同的相位。这些光信号被对应各相位的光接收元件接收，利用进行光电变换产生的电信号来测定直线等的位移量。
相位不同的四个光信号是A相(0度)的光信号、相位比A相偏移90度的B相(90度)的光信号、相位比A相偏移180度的AA相(180度)的光信号和相位比A相偏移270度的BB相(270度)的光信号。使用A相和B相的原因是，根据前面检测出的是A相还是B相，来判断光接收部的相对移动的方向。此外，除了A相和B相的光信号以外，使用将它们反转的AA相和BB相的光信号的原因是，(1)除去包含在A相和B相的光信号中的直流分量，(2)确保光信号的可靠性和(3)确保高速跟踪性。
只要有相位不同的对应于多个光信号的数目的光接收元件，在原理上就可进行测定。因此，在相位不同的四个光信号的情况下，有四个光接收元件就可以。这种第1类型的编码器例如公开在国际公开第01/31292号分册上(说明书第5页第19行～第6页第7行，图5)。
可是，因光源的光强度分布和标尺面的污迹等原因，有时在光量上产生偏差(不均匀性)。根据上述类型，各相位的光信号分别在一个部位检测，所以容易受到光量偏差的影响。例如，在A相用的光接收元件的配置部位与其他光接收元件的配置部位相比照射的光的强度弱时，由于A相的输出弱，所以测定精度下降。
因此，有通过将光接收元件仔细地分割并阵列状地排列，使其兼备标定格子的功能，而且将A相用的光接收元件、B相用的光接收元件、AA相用的光接收元件、BB相用的光接收元件作为一组(set)，沿编码器的测定轴方向(x方向)，将多个组阵列状地配置的第2类型的编码器。这种类型例如公开在(日本)特开平7-151565号公报([0014]段，图4)中。将这样的光接收元件的配置称为一维(one dimension)配置。根据第2类型，由于将检测各相位的光信号的部位分散在宽范围内，可以减小光量偏差的影响(以下，将其称为‘平均效应(averaging effect)’)。而且，为了进一步提高平均效应，还有除了测定轴方向(x方向)以外，沿y方向配置了多组的第3类型的编码器。这种类型例如公开在国际公开第01/31292号分册上(说明书第21页第6行～第22页第23行，图16)。将这样的光接收元件的配置称为二维(twodimensions)配置。
提高平均效应在提高测定精度上十分重要。但是，如果简单地提高平均效应，则产生编码器的响应速度下降的问题。有关这个问题，下面详细地说明。
光电二极管这样的光接收元件具有将n型半导体层和p型半导体层形成结的结构。如果这种结的电容增大，则编码器的响应速度下降。因此，结电容的增加对编码器的性能产生不良影响。光接收元件的结电容与光接收面的面积和光接收面的周围(边缘)的长度有相关关系。即，如果面积和周围的长度增大，则结电容增加，如果面积和周围的长度变小，则结电容减小。
在上述第2和第3类型中，即使光接收面的面积的合计与第1类型的面积相同，由于光接收元件的数目比第1类型多，所以周围长度的合计增大。因此，第2类型和第3类型与第1类型相比其结电容增大，所以编码器的响应速度下降。如以上那样，在现有技术中，如果提高平均效应，则光接收元件的结电容增加。
第3类型通过将光接收元件二维配置，与光接收元件一维配置的第2类型相比，提高了平均效应。但是，在二维配置中，除了测定轴方向(x方向)以外，还沿y方向配置光接收元件。因此，第3类型与第2类型相比，由于光接收元件的数目多，所以光接收元件的结电容增加，编码器的响应速度下降的问题明显。
发明内容
本发明是鉴于这种问题的发明，其目的在于提供一种光电式编码器，其多个光接收元件的结电容的合计与一维配置相同，同时可获得与光接收元件的二维配置同样的平均效应。
本发明的光电式编码器包括：光源；标尺，包括被来自光源的光照射的第1光学格子；多个光接收元件，分别包括入射基于照射第1光学格子的光所生成的光信号的光接收面，并检测相位不同的多个光信号；以及第2光学格子，包括配置在多个光接收元件的各光接收面上的遮光部；其特征在于，多个光接收元件相对标尺可沿测定轴相对移动地配置，同时沿测定轴配置，使各光接收面相对于遮光部的延长方向倾斜。
根据本发明的光电式编码器，具有在各光接收面相对于第2光学格子的遮光部的延长方向倾斜的状态下，沿测定轴配置多个光接收元件的结构。因此，即使在一个方向上配置多个光接收元件，也可以形成与配置在两个方向(测定轴方向、遮光部的延长方向)上同样的状态。因此，多个光接收元件的结电容的合计与一维配置相同，同时可以获得与光接收元件的二维配置同样的平均效应。
在本发明的光电式编码器中，通过多个光接收元件，将沿测定轴一端有凸部、另一端有凹部的第1和第2元件组构成在配置了多个光接收元件的平面上，第1元件组和第2元件组配置为这些凹部之间或凸部之间在平面上相互面对。
根据该光电式编码器，可以将相对于遮光部的延长方向倾斜的光接收面均衡配置在配置了多个光接收元件的平面上。
在本发明的光电式编码器中，可以配有包括多个光接收元件和第2光学格子的光接收芯片，该光接收芯片还包括：接触部，相对于多个光接收元件分别设置，在导电性的遮光部的下方连接到该遮光部，同时与光接收面接触：以及光接收元件的布线，其相对于多个光接收元件中的各光接收元件而设置，与遮光部连接。
根据该光电式编码器，通过第2光学格子的遮光部兼用作连接到光接收元件的布线，可以防止减少光接收面的有效光接收面积。
在本发明的光电式编码器中，可以是多个光接收元件中相邻的光接收元件的光接收面上配置的第2光学格子的遮光部的空间性相位相互不同。根据该光电式编码器，可以检测相位相互不同的光信号。
在本发明的光电式编码器中，可将光接收面的一部分或全部沿测定轴配置为相对于遮光部的延长方向倾斜。
附图说明
图1是表示第1实施方式的光电式编码器的概略结构的图。
图2是示意地表示从图1的第1光学格子侧观察的光接收芯片整体的平面图。
图3是仅示意地表示图2中光电二极管的图。
图4是仅示意地表示图2中第2光学格子的图。
图5是图2的V所示的区域的放大图。
图6是从VI(a)-VI(b)剖面观察图5所示区域的示意图。
图7是示意地表示第1实施方式的光电二极管排列的变形例的图。
图8是示意地表示在第2实施方式的光电式编码器中配有的光接收芯片的一部分的平面图。
图9是从IX(a)-IX(b)剖面观察图8的光接收芯片的示意图。
图10是从X(a)-X(b)剖面观察图8的光接收芯片的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的光电式编码器的第1和第2实施方式。再有，在说明第2实施方式的图中，与用第1实施方式的标号表示的部分相同的部分，通过附以同一标号来省略说明。
第1实施方式
图1是表示第1实施方式的光电式编码器1的概略结构的图。本实施方式以在光接收部中包括的光接收芯片的结构为主要特征，作为该理解的前提，说明光电式编码器1。首先，说明编码器1的结构。编码器1由发光二极管(LED(light emitting diode))3、以及以与其靠近的顺序配置的标尺5和光接收部7构成。
发光二极管3是光源的一例，将来自二极管3的光L照射到标尺5。标尺5包括由玻璃等透明材料构成的长形的透明衬底9。在图1中，表示其一部分。第1光学格子11形成在透明衬底9的与面对发光二极管3侧的面相反侧的面上。第1光学格子11包括以规定的间隔(pitch)线性(linear)配置的多个遮光部13。各遮光部13在图面的进深方向上延长。遮光部13由金属(例如铬)等构成。
光接收部7与标尺5间隔(gap)配置。光接收部7包括位于标尺5侧的光接收芯片15和搭载它的电路衬底17。在光接收芯片15内，形成未图示的多个光电二极管(以下，有时将‘光电二极管’记载为‘PD’)。这些PD的各光接收面朝向第1光学格子11侧。PD是光接收元件的一例。作为光接收元件，也可以使用光电晶体管来取代PD。在电路衬底17中，搭载用于运算的IC芯片19。IC芯片19根据光接收芯片15的多个PD检测出的光信号来执行位移量的运算。
光接收部7与发光二极管3一起安装在支架(holder)21上。支架21在图中以X所示的标尺5的纵向方向上可移动。即，光电式编码器1通过相对于固定的标尺5移动支架21，测定位移量。因此，X方向为测定轴(以下，将X方向作为‘测定轴X’)。再有，在将发光二极管3和光接收部7固定，使标尺5移动来测定位移量的类型中，也可以采用本发明。因此，将包含光接收芯片15的光接收部7配置为可与发光二极管3一起相对于标尺5在测定轴X方向上相对移动。
下面，简单地说明光电式编码器1的测定动作。在从发光二极管3将光L照射到标尺5的第1光学格子11时，通过第1光学格子11在光接收芯片15上产生明暗图形。该明暗图形被照射到光接收芯片15上。在这种状态下，由形成于光接收芯片15的各光电二极管(PD)检测通过支架21沿测定轴X移动产生的明暗图形的变化(正弦波的光信号)。即，A相(0度)的光信号、相位比A相偏移90度的B相(90度)光信号、相位比A相偏移180度的AA相(180度)的光信号和相位比A相偏移270度的BB相(270度)的光信号分别由对应的PD检测。这样，各PD接收在相位不同的多个光信号中被分配的相位的光信号。
由各光信号产生的电信号被送到IC芯片19。在IC芯片19中，在对A相和B相进行规定的处理(除去直流分量等)后，根据处理后的A相和B相来运算位移量。将其结果输出到未图示的显示部。以上是光电式编码器1的动作。
第1实施方式的主要特征是光接收芯片15，下面对其详细地说明。首先，说明光接收芯片15的平面结构。图2是示意地表示从第1光学格子侧观察的光接收芯片15整体的平面图。图3是示意地表示图2中光电二极管23的图。图4是示意地表示图2中第2光学格子25的图。
参照图2～图4，覆盖多个PD23的光接收面27和光接收面27而形成的第2光学格子25配置在面对第1光学格子的xy面上。再有，x轴与图1中说明的测定轴X方向一致。第2光学格子25有在各光接收面27上间隔配置的y方向上延长的多个遮光部29。
基于照射到第1光学格子的光生成的相位不同的四个(A相、B相、AA相、BB相)光信号入射到对应的光接收面27。换句话说，在上述明暗图形被照射到光接收芯片15上的状态下，通过移动支架21生成的相位不同的多个光信号中被分配的相位的光信号入射各光接收面27。由此，相位不同的四个光信号被多个PD23检测。将分别检测A相、B相、AA相、BB相的光信号的PD23A、23B、23AA、23BB的组沿测定轴X重复配置。
光接收面27由平行部31、以及位于其两端同时相对于平行部31对称配置的一对倾斜部33构成。平行部31配置为与第2光学格子25的遮光部29延长的方向、即y方向平行。将倾斜部33相对于遮光部29的延长方向倾斜地配置。因此，光接收面27的一部分相对于遮光部29的延长方向倾斜。再有，光接收面27的全部相对于遮光部29的延长方向倾斜也可以。
也可以如下说明倾斜部33。将一个光接收面27中包含的一对倾斜部33相对于测定轴X以相同的大小彼此相反地倾斜配置。将倾斜部33(即，各光接收面27的至少一部分)相对于遮光部29的延长方向和测定轴X倾斜地配置。
在多个PD23的排列中，构成图3的右半部分排列的PD23的集合是第1元件组35，构成左半部分排列的PD23的集合是第2元件组37。第1元件组35和第2元件组37分别沿测定轴X在一端上有凸部36，在另一端上有凹部38。第1元件组35的凹部38和第2元件组37的凹部38以相互面对的方式被配置在xy面上。
图5放大了图2的以V表示的区域。遮光部29按规定的间隔形成在各光接收面27上。相邻的PD23的光接收面27上配置的第2光学格子25的遮光部29的空间相位相互不同。具体地说，在相邻的光接收面27上，遮光部29沿测定轴X偏移λ/4来配置。这里，λ是光信号的波长。图6是从VI(a)-VI(b)剖面观察图5的区域的示意图。光接收芯片15包括n型的半导体衬底。在该衬底39的一个面中，间隔形成p型的扩散区域41。半导体衬底39和扩散区域41的接合部为PD23。图3所示的多个PD23沿测定轴X阵列状地形成在半导体衬底39中。在半导体衬底39的一个面中，形成了p型扩散区域41的区域为光接收面27。在扩散区域41相互之间的半导体衬底39中，形成n+型的扩散区域43。由此，p型扩散区域41与相邻的扩散区域41分离，即，各PD23被元件分离。
半导体衬底39的一个面被氧化硅膜那样的绝缘膜45覆盖，以覆盖扩散区域41、43。在绝缘膜45上间隔形成多个遮光部29。遮光部29只要具有不透光的性质即可，因此其材料可列举出金属(例如，铬、铝)或树脂。为了覆盖这些遮光部29，形成氧化硅膜和氮化硅膜这样的保护膜47。在半导体衬底39的另一面的整个面上形成各PD23的共用电极(例如Au电极)49。
下面说明第1实施方式的光电式编码器1的效果。
(1)根据第1实施方式，可以按光电二极管的一维配置情况下的编码器的响应速度，获得二维配置情况下的测定精度。下面用图2～图4详细地说明。光电二极管23沿测定轴X配置。因此，编码器1的PD23为一维配置，所以可以抑制PD23的结电容的增加。另一方面，光接收面27的倾斜部33相对于第2光学格子25的遮光部29的延长方向(y方向)倾斜，所以倾斜部33与测定轴X方向(x方向)和遮光部29的延长方向(y方向)形成二维配置。因此，根据编码器1，可以获得与光电二极管的二维配置同样的平均效应。
如上所述，根据第1实施方式，多个光电二极管的结电容的合计与一维配置相同，同时可以获得与光电二极管的二维配置同样的平均效应。因此，可以兼顾编码器1的响应速度提高和测定精度提高。
上述效果由倾斜部33产生，所以可在不包括平行部31下由一对倾斜部33来构成光接收面27，也可以仅由一对倾斜部33的一方来构成光接收面27。
(2)如图3所示，根据第1实施方式，将多个PD23分成第1元件组35和第2元件组37。然后，在xy面上，将第1元件组35的凹部38和第2元件组37的凹部38相互面对来配置。因此，由多个PD23的光接收面27构成的形状相对于x方向和y方向为对称的形状。因此，可以将多个PD23的光接收面27十分均衡地配置在xy面上。
再有，如图7所示，即使将第1元件组35的凸部36和第2元件组37的凸部36相互面对来配置，也与图3同样，可以十分均衡地配置多个PD23的光接收面27。
第2实施方式
有关第2实施方式，以与第1实施方式的差异为中心来说明。图8是示意地表示在第2实施方式的光电式编码器中配有的光接收芯片15的一部分的平面图，与图5相对应。图9、图10是分别从IX(a)-IX(b)、X(a)-X(b)剖面观察图8的光接收芯片15的示意图。在第2实施方式中，将第2光学格子的遮光部29作为连接到光电二极管23的布线51的一部分。以下，详细地说明。
遮光部29是铝等导电性金属。布线51与遮光部29位于相同层。布线51与遮光部29同时构图形成，与遮光部29连接。在遮光部29和光接收面27之间的绝缘膜45中，形成接触孔52。在接触孔53中形成由导电塞(例如铝)构成的接触部55。接触部55在遮光部29的下方与其连接，同时与光接收面27接触。因此，布线51通过遮光部29和接触部55连接到光电二极管23。再有，在本实施方式中，以导电塞作为接触部55，但在将作为遮光部29的膜形成在绝缘膜45上时，也可以在接触孔53中填埋这种膜，将其作为接触部。
第2实施方式除了有与第1实施方式同样的效果以外，还有以下效果。为了将布线与光电二极管连接，在与遮光部29相同的层的光接收面27上形成新的导电膜结构的情况下，因该导电膜而减少光接收面27的有效光接收面积。相反，在第2实施方式中，在布线51和光电二极管23的连接上利用导电性的遮光部29。因此，可以防止光接收面27的有效光接收面积的减少。
此外，在形成了上述新的导电膜结构的情况下，在图10的剖面中不存在接触部55。因此，形成由遮光部29和扩散区域41夹着绝缘膜45结构的寄生电容。这成为降低编码器的响应速度的原因。相反，在第2实施方式中，由于将遮光部29和扩散区域41用接触部55来连接，所以不产生上述那样的寄生电容。
再有，在第1和第2实施方式中，使用四个相位不同的光信号(A相、B相、AA相、BB相的光信号)来测定位移量，但本发明的光电式编码器不限于此。例如，对于三个相位不同的光信号(相位0度的光信号、相位比0度偏移120度的光信号、相位比0度偏移240度的光信号)，也可以适用于本发明的光电式编码器。
此外，如图1所示，第1和第2实施方式的光电式编码器1是使用透过标尺5的第1光学格子11的来自发光二极管3的光L进行位移量测定的所谓透过型的类型。但是，反射型的类型，即，在使用由标尺5的第1光学格子11反射的来自发光二极管3的光L测定位移量的情况下，也可以采用本发明。
如以上所述，根据本发明的光电式编码器，多个光接收元件的结电容的合计与一维配置相同，同时可以获得与光接收元件的二维配置同样的平均效应。因此，可以兼顾光电式编码器的响应速度的提高和测定精度的提高。
Claims (6)
1.一种光电式编码器，包括：
光源；
标尺，其包括被来自所述光源的光照射的第1光学格子；
多个光接收元件，分别包括入射基于照射到所述第1光学格子的光所生成的光信号的光接收面，并检测相位不同的多个光信号；以及
第2光学格子，包括配置在所述多个光接收元件的各光接收面上的遮光部；
其特征在于，所述多个光接收元件配置为相对所述标尺可沿测定轴相对移动，同时沿所述测定轴配置，使各光接收面相对于所述遮光部的延长方向倾斜。
2.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于：
通过所述多个光接收元件，在配置了所述多个光接收元件的平面上，构成沿所述测定轴一端有凸部、另一端有凹部的第1和第2元件组，
所述第1元件组和所述第2元件组配置为所述凹部相互之间或凸部相互之间在所述平面上相互面对。
3.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于：
配有包括所述多个光接收元件和所述第2光学格子的光接收芯片，
所述光接收芯片还包括：
接触部，其相对于所述多个光接收元件分别设置，在导电性的所述遮光部的下方连接到该遮光部，同时与所述光接收面接触；以及
所述光接收元件的布线，其相对于所述多个光接收元件分别设置，与所述遮光部连接。
4.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述多个光接收元件中相邻的光接收元件的光接收面上配置的所述第2光学格子的所述遮光部的空间性相位相互不同。
5.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述光接收面的一部分沿所述测定轴配置为相对于所述遮光部的延长方向倾斜。
6.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述光接收面的全部沿所述测定轴配置为相对于所述遮光部的延长方向倾斜。
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