DE10022619A1 - Abtasteinheit für eine optische Positionsmesseinrichtung - Google Patents
Abtasteinheit für eine optische PositionsmesseinrichtungInfo
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Abstract
In einer Abtasteinheit für eine optische Positionsmesseinrichtung mit einem strukturierten optoelektronischen Fotodetektor, der mehrere benachbart zueinander auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnete strahlungsempfindliche Detektorbereiche D bzw. I1-I6 umfasst, die über Leiterbahnen L1-L8 mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, sind die Leiterbahnen L1-L8 über die Oberfläche der Detektorbereiche D bzw. I1-I6 geführt und mit zugeordneten Detektorbereichen oder Detektor-Teilbereichen D; I1-I6, die phasengleiche Abtastsignale liefern, verbunden. Dadurch können die Detektorbereiche D bzw. I1-I6 eine maximale Fläche einnehmen und bis an die Seitenkanten 61, 62 des Fotodetektors erstreckt werden (Fig. 4).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abtasteinheit für eine
optische Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Aus der WO 99/08074 ist eine Abtasteinheit für eine opti
sche Positionsmeßeinrichtung bekannt, die neben periodi
schen Inkrementalsignalen auch mindestens ein Referenzim
pulssignal bei einer definierten Referenzposition eines
Maßstabes und einer relativ dazu beweglichen Abtasteinheit
liefert. Auf den Maßstab ist mindestens ein Referenzmarkie
rungsfeld in einer Inkrementalteilungsspur integriert
angeordnet und die Abtasteinheit umfaßt eine Detektoranord
nung, die in Meßrichtung mindestens drei benachbart angeord
nete, aktive Detektorbereiche aufweist. Zwei der drei
Detektorbereiche bilden Referenzimpulssignal-Detektorbe
reiche und dienen zur Erzeugung eines Referenzimpulssigna
les, wobei die Relativanordnung der Referenzimpulssignal-De
tektorbereiche in Meßrichtung in Abhängigkeit von der
Strukturierung des Referenzmarkierungsfeldes auf den Maß
stab gewählt ist. Ein zwischen den Referenzimpulssignal-De
tektorbereichen angeordneter Detektorbereich dient zur
Erzeugung mindestens eines Inkrementalsignales.
Wie insbesondere der Fig. 3a dieser Druckschrift mit einer
Anordnung aktiver Detektorbereiche sowohl für Referenzim
pulssignal-Detektorbereiche als auch für Inkrementalsi
gnal-Detektorbereiche zu entnehmen ist, erfolgt die Kontak
tierung der verschiedenen aktiven Detektorbereiche an den
Stirnseiten der Detektorbereiche und infolge der zahlrei
chen parallelen Leitungsführungen benötigt die Anordnung
seitlich der Detektorbereiche viel Platz auf der Platine
bzw. dem Halbleitersubstrat des Fotodetektors, auf dem die
aktiven Detektorbereiche und die Kontaktierungs-Leiterbah
nen anzuordnen sind. Dieser seitlich der aktiven Detektorbe
reiche benötigte Platz für die Leiterbahnen kann daher
nicht für die aktiven Detektorbereiche auf dem Halbleiter
substrat zur Aufnahme der Detektorbereiche und Leiterbahnen
verwendet werden.
Zur Erzeugung der Inkremental- und Referenzimpulssignale
ist es jedoch von besonderer Bedeutung, die strahlungsemp
findlichen Detektorbereiche des Fotodetektors möglichst
großflächig zu machen, um auf der Empfangsseite der Abtasteinheit
möglichst viel im Durchlicht- oder Auflichtverfah
ren empfangenes Licht einzukoppeln. Dem steht allerdings
die Miniaturisierung der optischen Positionsmeßeinrichtung
entgegen, bei der die Abtasteinheit ein möglichst kleines
Volumen beanspruchen soll, was dazu führt, daß für die De
tektorbereiche auf dem Substrat eine nur geringe Fläche zur
Verfügung steht. Auf dieser Fläche müssen bei einer Rela
tiv- und Absolutmessung sowohl die Inkrementalsignal-Detek
torbereiche als auch die Referenzimpuls-Detektorbereiche so
angeordnet werden, daß auch unter ungünstigen Bedingungen
wie starken Verschmutzungen eine einwandfreie Erfassung und
Abgabe von Inkremental- und Referenzimpulssignalen gewähr
leistet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die für
die Detektorbereiche auf dem Substrat eines Fotodetektors
einer Abtasteinheit verfügbare Fläche optimal zu nutzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die optimale Nutzung
der für die Detektorbereiche auf dem Substrat eines Fotode
tektors einer Abtasteinheit verfügbaren Fläche zur Erzeu
gung von Inkrementalsignalen und ggf. Referenzimpulssigna
len, indem die gesamte Substrat- oder Platinenfläche,
insbesondere die quer zur Meßrichtung verlaufende Breite
des Substrats vollständig für die Detektorbereiche genutzt
werden kann, da die zu den einzelnen Detektorbereichen
führenden Leiterbahnen über die Oberfläche der Detektorbe
reiche geführt und mit den jeweiligen Detektorbereichen
verbunden sind. Die optimale Ausnutzung der teuren
(Silizium-)Halbleiter-Substratfläche trägt nicht nur einer
Minimierung des Fotodetektors Rechnung, sondern reduziert
auch die Herstellungskosten.
Die erfindungsgemäße Lösung weist den besondere Vorteil
auf, daß zur Erzeugung der Abtastsignale die Längserstrec
kung der Detektorbereiche quer zur Meßrichtung maximal ist,
so daß auch unter ungünstigen Bedingungen noch hinreichend
Licht eingekoppelt wird.
Vorzugsweise bestehen die Detektorbereiche aus schmalen,
rechteck- oder kreisabschnittsförmigen und strahlungsemp
findlichen Streifen, deren Längsseiten im wesentlichen senk
recht zur Messrichtung benachbart zueinander angeordnet
sind, und die Leiterbahnen sind im wesentlichen senkrecht
zu den Längsseiten der Detektorbereiche geführt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lö
sung ist dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische
Fotodetektor auf einem halbleitenden Grundkörper des einen
Leitfähigkeitstyps angeordnete, die Detektorbereiche bilden
de dünne, streifenförmige Schichten des anderen Leitfähig
keitstyps, eine die Vorderseite des Fotodetektors bildende
Antireflexionsschicht und eine dazwischen angeordnete
Isolationsschicht aufweist und dass an den Verbindungen der
Leiterbahnen mit zugeordneten Detektorbereichen Öffnungen
in der Antireflexionsschicht zur Herstellung von Kontakt
punkten zwischen den Leiterbahnen und den betreffenden
Detektorbereichen vorgesehen sind. Alternativ hierzu kann
an den Verbindungen der Leiterbahnen mit zugeordneten
Detektorbereichen die Antireflexionsschicht mit den dünnen,
streifenförmigen Schichten des anderen Leitfähigkeitstyps
verbunden werden, um Kontaktpunkte zum Auskoppeln der in
dem betreffenden Detektorbereich gespeicherten Ladung
herzustellen.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Detektorbereiche periodisch und
äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei mehrere
benachbarte Detektorbereiche eine Gruppe bilden, die zuein
ander phasenversetzte Abtastsignale liefert, und dass
jeweils eine Leiterbahn mit den Detektorbereichen der
verschiedenen Gruppen verbunden ist, die phasengleiche
Abtastsignale abgeben.
Über die gruppenweise zusammengefassten Detektorbereiche
ist eine sogenannte "Einfeldabtastung" des Massstabes
gewährleistet, bei der sämtliche Signalanteile zur Erzeu
gung der Abtastsignale stets nur aus einer Teilungsperiode
des abgetasteten Massstabes stammen. Eine derartige Anord
nung ist insbesondere hinsichtlich der Unempfindlichkeit
gegenüber Verschmutzungen des Massstabes vorteilhaft, da
die phasenverschobenen Signalanteile, die zur Erzeugung der
Abtastsignale beitragen, allesamt gleich beeinflusst wer
den.
Vorzugsweise bilden jeweils vier aktive Detektorbereiche
eine Gruppe, die vier jeweils um 90° phasenversetzte Ab
tastsignale liefert, wobei mindestens zwei Gruppen aktiver
Detektorbereiche in Messrichtung nebeneinander angeordnet
und vier parallele Leiterbahnen mit den Detektorbereichen
der Gruppen verbunden sind, die phasengleiche Abtastsignale
abgeben.
Des weiteren können vorteilhaft mehrere Gruppen aktiver De
tektorbereiche in Messrichtung hintereinander und nebenein
ander angeordnet werden, wobei eine dem Phasenversatz ent
sprechende Anzahl Leiterbahnen mit den Detektorbereichen
der in Messrichtung hintereinander angeordneten Gruppen
verbunden ist, die phasengleiche Abtastsignale liefern. Die
phasengleiche Abtastsignale erfassenden Leiterbahnen der in
Messrichtung parallel zueinander angeordneten Gruppen sind
dabei miteinander verbunden.
Die Verbindung der phasengleichen Abtastsignale erfassenden
Leiterbahnen der in Messrichtung parallel zueinander ange
ordneten Gruppen kann insbesondere auf der Rückseite des
strukturierten Fotodetektors angeordnet werden.
Für den Betrieb einer derartigen Abtasteinheit weist der
strukturierte Fotodetektor in Messrichtung vorzugsweise
mehrere hintereinander angeordnete Gruppen mit jeweils
mehreren Detektorbereichen auf, wobei der eine Teil der
Gruppen Referenzimpuls-Detektorbereiche zur Erzeugung von
Referenzimpuls-Signalen und der andere Teil der Gruppen In
krementalsignal-Detektorbereiche zur Erzeugung von Inkremen
talsignalen enthält. Die Referenzimpuls-Detektorbereiche
sind mit Referenzimpuls-Leiterbahnen und die Inkrementalsi
gnal-Detektorbereiche, die phasengleiche Ausgangssignale
liefern, sind mit jeweils einer Inkrementalsignal-Leiter
bahn verbunden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die
Inkrementalsignal-Leiterbahnen über die strahlungsempfindli
chen Oberflächen der Inkrementalsignal-Detektorbereiche
geführt und jeweils mit phasengleiche Ausgangssignale
liefernden Inkrementalsignal-Detektorbereichen verbunden
sind.
Weiterhin können zwei Gruppen Inkrementalsignal-Detektorbe
reiche mit jeweils zwei in Messrichtung hintereinander und
nebeneinander angeordneten Gruppen von phasengleiche Aus
gangssignale liefernden Detektorbereichen und eine zwischen
den beiden Gruppen von Inkrementalsignal-Detektorbereichen
eine Gruppe von Referenzimpuls-Detektorbereichen vorgesehen
werden, während die Inkrementalsignal-Leiterbahnen jeweils
zu den Stirnseiten des strukturierten Fotodetektors geführt
sind. Dabei können die Referenzimpuls-Leiterbahnen zwischen
den in Messrichtung nebeneinander angeordneten Gruppen von
Inkrementalsignal-Detektorbereichen angeordnet werden.
Zur Ereugung der Referenzimpulssignale können die die
Taktsignale der Referenzimpuls-Detektorbereiche erfassenden
Referenzimpuls-Leiterbahnen zu der einen Stirnseite zwi
schen den in Messrichtung nebeneinander angeordneten Grup
pen von Imkrementalsignal-Detektorbereichen dieser Seite
und die die Gegentaktsignale der Referenzimpuls-Detektorbe
reiche erfassenden Referenzimpuls-Leiterbahnen zu der
anderen Stirnseite zwischen den in Messrichtung nebeneinan
der angeordneten Gruppen von Inkrementalsignal-Detektorbe
reichen dieser Seite geführt werden.
Alternativ können die die Taktsignale und die die Gegentakt
signale der Referenzimpuls-Detektorbereiche erfassenden Re
ferenzimpuls-Leiterbahnen abschnittsweise übereinander
angeordnet zwischen den in Messrichtung nebeneinander
angeordneten Gruppen von Inkrementalsignal-Detektorberei
chen der einen Seite geführt werden.
Da die Leiterbahnen mit einer Isolationsschicht zumindest
auf der den Detektorbereichen zugewandten Seite versehen
sind, können die Referenzimpuls-Leiterbahnen zumindest teil
weise über die einander gegenüberliegenden Schmalseiten der
in Messrichtung nebeneinander angeordneten Gruppen der In
krementalsignal-Detektorbereiche geführt werden.
Schließlich können die in Messrichtung jeweils hintereinan
derliegenden Gruppen von Inkrementalsignal-Detektorberei
chen mit jeweils einer Inkrementalsignal-Leiterbahn für pha
sengleiche Ausgangssignale verbunden und die Inkrementalsi
gnal-Leiterbahnen über die Referenzimpuls-Detektorbereiche
geführt werden.
Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei
spielen soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke
näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 eine optische Positionsmeßeinrichtung mit
Abtasteinheit und Maßstab sowie eine
vergrößerte Draufsicht auf eine Platine
und eine Abtastplatte der Abtasteinheit;
Fig. 4 eine schematische Darstellung mehrerer
hintereinander und nebeneinander angeord
neter Gruppen von Detektorbereichen zur
Erzeugung von Inkrementalsignalen mit
Leiterbahnen, die Detektorbereiche mit
phasengleichen Abtastsignalen kontaktie
ren;
Fig. 5 eine schematische Darstellung von neben-
und hintereinander angeordneten Gruppen
von Inkrementalsignal- und Referenzim
puls-Detektorbereichen sowie Leiterbah
nen, die phasen- und taktgleiche Abtastsi
gnale liefernde Detektorbereiche zusammen
fassen und
Fig. 6 eine schematisch-perspektivische Darstel
lung eines Fotodetektors mit einer phasen
gleiche Abtastsignale abgebende Detektor
bereiche zusammenfassende und über die
Detektorbereiche gelegten Leiterbahn.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Positi
onsmesseinrichtung, die eine Abtasteinheit 1 und einen
relativ zur Abtasteinheit 1 in Messrichtung x beweglichen
Maßstab 2 enthält. Die Abtasteinheit 1 umfasst einen sende
seitigen Teil, der eine Lichtquelle 4, die auf einer in
Draufsicht in Fig. 2 dargestellten Platine 3, vorzugsweise
in Form einer auf der Oberfläche der Platine 3 befestigten
lichtemittierenden Diode ausgebildet ist, und eine der
Lichtquelle 4 zugeordnete Kollimatoroptik 5 in Form einer
Zylinderlinse, die mit ihrer ebenen Fläche der Lichtquel
le 4 zugewandt auf einem mit der Platine 3 verbundenen
Aufbau 30 befestigt ist.
Im empfangsseitigen Teil der Abtasteinheit 1 ist auf der
Platine 3 ein Fotodetektor oder Fotosensor 6 mit verschiede
nen aktiven, strahlungsempfindlichen Detektorbereichen D
(Fig. 2) vorgesehen, zwischen denen jeweils inaktive,
strahlungsunempfindliche Bereiche angeordnet sind. In
geringem Abstand zur Platine 3 ist eine in Fig. 3 in
Draufsicht dargestellte Abtastplatte 7 angeordnet, die in
Messrichtung x nebeneinander angeordnet eine Sendestruktur
71 und eine Abtaststruktur 72 enthält.
Beabstandet zur Abtasteinheit 1 ist der Maßstab 2 angeord
net, der eine sich in Messrichtung x erstreckende Messtei
lung 20 enthält, deren optische Abtastung bei der Relativbe
wegung zwischen Abtasteinheit 1 und Maßstab 2 Abtastsignale
liefert. Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Strahlen
gang S geht von der Lichtquelle 4 aus und wird mittels der
Zylinderlinse 5 durch eine in der Platine 3 vorgesehene,
sich in Messrichtung x erstreckende Öffnung 31 zur Abtast
platte 7 und der darauf angeordneten Sendestruktur 71
reflektiert und gelangt durch die Sendestruktur 71 zu der
auf dem Maßstab 2 angeordneten Meßteilung 20, von der der
Messstrahl S durch die Abtaststruktur 72 zu dem vorzugswei
se auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Fotodetektor 6
mit den darauf vorgesehenen strahlungsempfindlichen Detek
torbereichen D reflektiert wird.
Die in Fig. 1 dargestellte optische Positionsmesseinrich
tung arbeitet im Auflicht, so dass die auf dem Maßstab 2
vorgesehene Messteilung reflektierende und nichtreflektie
rende Teilbereiche aufweist, die den Strahlengang S reflek
tieren bzw. nicht reflektieren. Bei einer im Durchlicht
arbeitenden optischen Positionsmesseinrichtung befindet
sich der Maßstab 2 zwischen dem sendeseitigen Teil der
Abtasteinheit 1 und deren empfangsseitigem Teil, so dass
der von der Lichtquelle 4 ausgehende Strahlengang über die
Zylinderlinse 5 und die Sendestruktur 71 der Abtastplatte
zur Messteilung 20 des Maßstabes 2 und durch die Messtei
lung 20 hindurch über die Sendestruktur 71 zum Fotodetek
tor 6 der Abtasteinheit 1 gelangt. In diesem Falle sind die
auf dem Maßstab 2 vorgesehenen Abtastfelder der Messtei
lung 20 für die verwendete Lichtwellenlänge durchlässig und
nicht-durchlässig ausgebildet.
Um bei einer oder mehreren definierten Relativpositionen
der zueinander beweglichen Teile der optischen Positions
meßeinrichtung einen exakten Absolutbezug der Positionsmes
sung herzustellen, werden neben den Inkrementalsignalen
bezüglich des Relativversatzes auch sogenannte Referenzim
pulssignale benötigt, zu deren Erzeugung auf Seiten des
Maßstabes der jeweiligen Positionsmeßeinrichtung an einer
oder mehreren Positionen Referenzmarkierungsfelder angeord
net sind. Die Abtasteinheit einer derartigen Positions
meßeinrichtung bietet damit die Möglichkeit, bei der zu
detektierenden Relativposition von Maßstab und Abtastein
heit ein entsprechendes Referenzimpulssignal zu erzeugen,
das in der nachgeordneten Auswerteeinrichtung geeignet
verarbeitet wird.
Zur Erfassung der Relativ- und Absolutposition von Abtast
einheit und Maßstab, die beispielsweise in Werkzeugmaschi
nen zur Erfassung der relativen und absoluten Position von
Werkstück und Werkzeug eingesetzt werden, sind daher ent
sprechende Referenzmarkierungsfelder auf dem Maßstab und Referenzimpuls-Detektorbereiche
R sowie Inkrementalsignal-De
tektorbereiche I als Detektorbereiche D auf dem Substrat 3
des Fotodetektors 6 vorgesehen.
Weitere Einzelheiten zur Aufgabe, Funktion und Gestaltung
der Inkrementalteilungsspur und der Referenzmarkierungsfel
der auf dem Maßstab sowie der Inkrementalsignal-Detektorbe
reiche und Referenzimpuls-Detektorbereiche des Fotodetek
tors zur Erzeugung von Inkremental- und Referenzimpulssigna
len sind der vorstehend genannten WO 99/08074 zu entnehmen.
Zur Detektion der vom Maßstab 2 kommenden Strahlenbündel
ist in den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 bis 6 eine
strukturierte Detektoranordnung vorgesehen, die aus mehre
ren aktiven, d. h. strahlungsempfindlichen Detektorbereichen
besteht, die jeweils eine schmale Streifenform aufweisen
und in Meßrichtung x periodisch und benachbart zueinander
angeordnet sind. Hierzu wird ein geeignetes Halbleiter
substrat derart strukturiert, daß auf dem Substrat eine
Reihe strahlungsempfindlicher Detektorbereiche resultiert.
Die verschiedenen aktiven Detektorbereiche liefern im Fall
der Relativbewegung von Maßstab und Abtasteinheit jeweils
Signalanteile, die zur Erzeugung phasenversetzter Inkremen
talsignale herangezogen werden.
Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Draufsicht auf
einen Fotodetektor zeigt mehrere Gruppen hintereinander und
nebeneinander angeordneter Detektorbereiche 11 bis 16 zur
Erfassung von Abtastsignalen, die als Inkrementalsignale
einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Vier Inkremen
talsignal-Detektorbereiche bilden dabei jeweils eine Gruppe
11 bis 16, wobei jeweils ein Inkrementalsignal-Detektorbe
reich ein Teil-Inkrementalsignal mit der Phasenlage 0°, ein
Inkrementalsignal-Detektorbereich ein Teil-Inkrementalsi
gnal mit der Phasenlage 180°, ein Inkrementalsignal-Detek
torbereich ein Teil-Inkrementalsignal mit der Phasenlage
90° und ein Inkrementalsignal-Detektorbereich ein Teil-In
krementalsignal mit der Phasenlage 270° liefert.
Selbstverständlich kann auch eine andere Relativanordnung
der verschiedenen Inkrementalsignal-Detektorbereiche ge
wählt werden, so daß diese dann Teil-Inkrementalsignale mit
anderen relativen Phasenlagen als in dem in Fig. 4 darge
stellten Beispiel liefern. Beispielsweise wäre eine Anord
nung der Inkrementalsignal-Detektorbereiche möglich, die
Signale mit der Phasenlage 0°, 120°, 240°. . . liefern. Refe
renzimpulsignal-Detektorbereiche weist diese Anordnung
nicht auf.
Die im Beispiel von Fig. 4 gezeigte Anordnung der aktiven
Detektorbereiche hat zur Folge, daß die innerhalb einer
Teilungsperiode liegenden, benachbarten aktiven Detektorbe
reiche einer Vierergruppe 11 bis 16 bei der optischen
Abtastung der Inkrementalteilung vier jeweils um 90° phasen
versetzte Abtastsignale liefern. Über die gezeigte Anord
nung der Detektorbereiche ist somit eine sogenannte "Ein
feldabtastung" des Maßstabes gewährleistet, bei der sämtli
che Signalanteile zur Erzeugung der Inkrementalsignale
stets nur aus einer Teilungsperiode des abgetasteten Maßsta
bes stammen. Eine derartige Abtastung ist insbesondere
hinsichtlich der Unempfindlichkeit gegenüber großflächigen
Verschmutzungen des Maßstabes vorteilhaft, da die phasenver
schobenen Signalanteile, die zur Erzeugung der Abtastsigna
le beitragen, allesamt gleich beeinflußt werden.
In Fig. 4 sind schematisch die Seitenränder 61, 62 der
aktiven Fläche des Fotodetektors 6 gemäß Fig. 1 darge
stellt, die die Seitenränder des Halbleitersubstrats bil
den, auf dem die strahlungsempfindlichen Detektorbereiche
strukturiert ausgebildet sind. Üblicherweise wird die Länge
der aktiven Detektorbereiche senkrecht zur Meßrichtung x
dadurch begrenzt, daß die mit den Detektorbereichen verbun
denen Leiterbahnen zwischen den Stirnseiten der Detektorbe
reiche und den Seitenkanten 61, 62 geführt werden bzw. von
den Stirnseiten der Detektorbereiche über die Seitenkanten
zur Platine bzw. zur Rückseite des Halbleitersubstrats
geführt werden müssen.
Demgegenüber werden in der erfindungsgemäßen Ausführungs
form die Leiterbahnen L1 bis L8 quer zur Längserstreckung
der Detektorbereiche D über die Oberflächen der Detektorbe
reiche D geführt. Dabei weisen die Leiterbahnen L1 bis L8
zumindest auf der der Oberseite der Detektorbereiche D
zugewandten Seite eine Isolation auf, die nur an vorgegebe
nen Punkten K zur Kontaktierung mit vorgegebenen Detektorbe
reichen durchbrochen wird. Auf diese Weise werden phasen
gleiche Abtastsignale liefernde Detektorbereiche D2 der
einzelnen Gruppen I1 bis I6 zusammengefaßt und über Kontak
te S1 bis S4 zur Signalverarbeitung an die Auswerteeinrich
tung weitergeleitet.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die
Zusammenfassung von vier, jeweils um 90° phasenversetzte
Abtastsignale, die aus der Verbindung der Leiterbahnen L1
bis L8 mit den jeweiligen Detektorbereichen D der hinter-
und nebeneinander angeordneten Gruppen von Detektorberei
chen I1 bis I6 resultieren.
Wie der Darstellung gemäß Fig. 4 zu entnehmen ist, bewirkt
die Führung der Leiterbahnen L1 bis L8 quer über die Längs
erstreckungen der Detektorbereiche D eine optimale Ausnut
zung der zur Verfügung stehenden Fläche des Fotodetektors,
indem die Detektorbereiche D bis unmittelbar an die Sei
tenkanten 61, 62 des Fotodetektors geführt werden können.
Eine andere Form einer strukturierten Detektoranordnung ist
in Fig. 5 als Draufsicht auf beispielsweise ein Halbleiter
substrat dargestellt, das die aktiven Detektorbereiche
neben den inaktiven Bereichen ausbildet. In dieser Ausfüh
rungsform sind sowohl Inkrementalsignale als auch Referenz
impulssignale als Abtastsignale liefernde Detektorbereiche
vorgesehen, so daß diese Anordnung geeignet ist, sowohl die
relative Stellung zweier relativ zueinander bewegter Syste
me als auch eine absolute Position der relativ zueinander
bewegten Systeme zu erfassen.
Die Inkrementalsignale werden in zwei Inkrementalsignal-De
tektorbereichen erfaßt, die durch einen Referenzimpulssi
gnal-Detektorbereich voneinander getrennt sind. Die Inkre
mentalsignal-Detektorbereiche I10, I20; I30 und I40 werden
durch gruppenweise zusammengefaßte Teilbereiche gebildet,
die in Meßrichtung x hintereinander angeordnet sind. Je
weils phasengleiche Abtastsignale liefernde Detektorberei
che werden mittels quer über die Längserstreckung der
Detektorbereiche und damit in Meßrichtung x verlaufender
Leiterbahnen L11 bis L28 kontaktiert.
Die Inkrementalsignal-Detektorbereiche I10, I20, I30, I40
liefern jeweils um 90° phasenversetzte Inkrementalsignale
und sind dementsprechend über die Leiterbahnen L11 bis L28
durch entsprechende Kontaktpunkte mit den entsprechenden
Detektorbereichen zusammengefaßt. So liefern beispielsweise
die Leiterbahnen L11, L17, L21 und L27 die Phasenlagen 0°,
während die Leiterbahnen L12, L18, L22 und L28 die um 90°
phasenversetzten Phasenlagen von 270° über jeweils vier
hintereinander angeordnete Detektorgruppen eines Detektorbe
reichs liefern. Dabei erfaßt beispielsweise die Leiterbahn
L11 am Kontaktpunkt K1 den Detektorbereich I101, während
die Leiterbahn L28 am Kontaktpunkt K2 den detektorbereich
I413 erfaßt usw.
Der zwischen den Inkrementalsignal-Detektorbereichen I10,
I20, I30, I40 angeordnete Referenzimpulssignal-Detektorbe
reich weist mehrere in Meßrichtung hintereinander angeordne
te identische Referenzimpuls-Detektorbereiche R1 bis R8
auf, die im Unterschied zu den gruppenweise nebeneinander
angeordneten Inkrementalsignal-Detektorbereichen durchge
hend von der einen zur anderen Seitenkante der
Detektoranordnung ausgebildet sind. Zur Erzeugung der
Referenzimpulssignale werden die Referenzimpuls-Detektorbe
reiche R1 bis R8 mit einer Takt- und Gegentaktleitung L31,
L32 kontaktiert, wobei jeweils ein Detektorbereich R1 bis
R8 übersprungen wird, so daß jeder zweite Detektorbereich
R1 bis R8 entweder mit der Taktleitung L31 oder der Gegen
taktleitung L32 verbunden ist.
Analog zur Anordnung der Leiterbahnen gemäß Fig. 4 sind
auch bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel
die Leiterbahnen L11 bis L28 quer über die Detektorbereiche
der Inkrementalsignal-Detektorbereiche I10, I20, I30, I40
zu den Stirnseiten der Detektoranordnung geführt. Da die
Leiterbahnen L11 bis L28 eine insgesamt geringe strahlungs
empfindliche Fläche bei der Querung der Detektorbereiche
belegen, kann abweichend von der in Fig. 5 dargestellten
Konfiguration auch jeweils eine einzelne Leiterbahn über
sämtliche (Inkrementalsignal- und Referenzimpuls-)Detektor
bereiche geführt werden, um die phasenversetzten Abtastsi
gnale von 0°, 270°, 180° und 90° der in Meßrichtung hinter
einander angeordneten Gruppen durch Kontaktgabe mit den ent
sprechenden Inkrementalsignal-Detektorbereichen zu erfas
sen. Dies bedingt zwar eine Führung der Leiterbahnen über
die Referenzimpuls-Detektorbereiche R1 bis R8 hinüber,
würde aber aufgrund der großflächigen Referenzimpuls-Detek
torbereiche eine nur geringfügige Beeinträchtigung der Refe
renzimpuls-Detektorbereiche bedeuten.
Die Takt- und Gegentaktleitung L31, L32 für die Referenzim
puls-Detektorbereiche R1 bis R8 ist in dem in Fig. 5
dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen die in Meßrich
tung x nebeneinander liegenden Inkrementalsignal-Detektorbe
reiche I10, I20 bzw. I30, I40 hindurchgeführt. Diese Konfi
guration nutzt den ohnehin für die Trennung der nebeneinan
der angeordneten Inkrementalsignal-Detektorbereiche I10,
I20 bzw. I30, I40 erforderlichen Spalt aus, so daß keine
aktive, d. h. strahlungsempfindliche Fläche beansprucht
wird. Durch die Anordnung der Takt- und Gegentaktleitung
L31, L32 zwischen den nebeneinander angeordneten Inkremen
talsignal-Detektorbereichen I10, I20 sowie I30, I40 ist es
möglich, die Stirnseiten sowohl der Inkrementalsignal-Detek
torbereiche I10, I20, I30, I40 als auch der Referenzim
puls-Detektorbereiche R1 bis R8 bis unmittelbar an die
Seitenkanten der Detektoranordnung zu führen und somit eine
maximale aktive, d. h. strahlungsempfindliche Fläche für die
Detektorbereiche vorzusehen.
Je nach Konfiguration und Baugröße des Fotodetektors sind
aber auch abweichend von den Darstellungen in den Fig. 4
und 5 unterschiedliche Führungen der Leiterbahnen möglich.
So kann beispielsweise die Takt- und Gegentaktleitung L31,
L32 in der Anordnung gemäß Fig. 5 auch an einer Seitenkan
te der Detektoranordnung entlang geführt werden. Dies
schränkt allerdings die Möglichkeit ein, die Stirnseiten
sowohl der Inkrementalsignal-Detektorbereiche als auch der
Referenzimpuls-Detektorbereiche bis unmittelbar an die
Seitenkanten der Detektoranordnung zu führen.
Fig. 6 zeigt eine schematisch-perspektivische Ansicht
eines optoelektronischen Fotodetektors bzw. Fotosensors mit
einer über die Oberfläche des Fotodetektors 6 geführten
Leiterbahn L, die an zwei Kontaktierungsstellen K3, K4 mit
aktiven, d. h. strahlungsempfindlichen Detektorbereichen des
Fotodetektors 6 verbunden ist.
Der halbleitende Grundkörper des optoelektronischen Fotode
tektors 6 besteht beispielsweise aus Silizium und umfaßt
eine breite n-leitende Schicht 60 (300 µm bis 400 µm dick),
an deren Oberfläche sich mehrere äquidistant verteilt
angeordnete, wesentlich dünnere p-leitende Schichten 61
(ca. 0,55 µm dick) erstrecken. Zwischen der n-leitenden
Schicht 60 und den p-leitenden Schichten 61 bilden sich
Raumladungszone (Verarmungszonen) aus, die als Sperrschich
ten wirken.
Die Vorderseite des optoelektronischen Fotodetektors 6 ist
mit einer metallischen Antireflexionsschicht 63 versehen
und wird durch eine isolierende Schicht 62 strukturiert,
die z. B. aus Siliziumdioxid als Isolator bestehen können.
Zwischen den isolierenden oder inaktiven Bereichen 65
erstrecken sich so die aktiven, strahlungsempfindlichen
Detektorbereiche 64 bzw. D.
Auf die aktiven, strahlungsempfindlichen Detektorbereiche
64 bzw. D auftreffende elektromagnetische Strahlung gelangt
durch die p-leitenden Schichten 61 in die Raumladungszone
und wird dort zu einem großen Teil absorbiert. Dabei entste
hen in der Raumladungszone Elektron-Lochpaare. Das Raumla
dungsfeld trennt diese Trägerpaare; Elektronen fließen zur
n-, Löcher zur p-Seite. Um diesen Fotostrom, der ein Maß
für die einfallende Strahlungsleistung ist, messen zu
können, wird der optoelektronische Photodetektor 6 in eine
geeignete elektrische Schaltung integriert.
Die senkrecht zur Längserstreckung der aktiven
Detektorbereiche 64 und über deren Oberfläche verlegte oder
anderweitig aufgetragene Leiterbahn L besteht aus einem
elektrisch leitfähigen Teil 8 sowie einer Isolationsschicht
9, die zumindest zwischen dem elektrisch leitfähigen Teil 8
und der Oberfläche des optoelektronischen Fotodetektors 6
vorgesehen ist. Die Isolationsschicht 9 bewirkt, daß nur an
den gewünschten Stellen die Leiterbahn L die entsprechenden
Detektorbereiche D des Fotodetektors 6 kontaktiert, um
beispielsweise phasengleiche Abtastsignale zu erfassen und
an eine Auswerteinrichtung weiterzuleiten.
An den Kontaktierungspunkten K3, K4, an denen die Leiter
bahn L mit den entsprechenden Detektorbereichen 64 bzw. D
des Fotodetektors 6 verbunden werden soll, ist eine Öffnung
in der Antireflexionsschicht 63 vorgesehen bzw. wie in
Fig. 6 dargestellt, die Antireflexionsschicht 63 soweit an
den Stellen 66 abgesenkt, daß sie unter Überbrückung der
Isolationsschicht 62 die p-leitende Schicht 61 kontaktiert
und dadurch die entsprechende Ladung zur Erzeugung eines Ab
tastsignals ausgekoppelt werden kann.
Die Verbindung der Leiterbahn L mit den entsprechenden
Detektorbereichen 64 an den Kontaktpunkten K3, K4 kann
durch entsprechendes Entfernen der Isolationsschicht 9 oder
mittels Durchkontaktierung erfolgen. Beispielsweise kann
der elektrisch leitende Teil 8 der Leiterbahn L an den
Kontaktpunkten K3, K4 mittels eines Laserstrahls mit der
Oberfläche der Antireflexionsschicht 63 bzw. abgesenkten
Oberfläche 66 des betreffenden Detektorbereichs D leitfähig
verbunden werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf
die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie
le, sondern es ist eine Anzahl von Varianten denkbar,
welche von der in der Zeichnung und Beschreibung dargestell
ten Lösung auch bei grundsätzlich andersgearteten Ausführun
gen Gebrauch macht.
Claims (16)
1. Abtasteinheit für eine optische Positionsmesseinrich
tung mit einem strukturierten optoelektronischen
Fotodetektor, der mehrere benachbart zueinander auf
einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnete
strahlungsempfindliche Detektorbereiche umfasst, die
über Leiterbahnen mit einer Auswerteinrichtung verbun
den sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Teil der Leiterbahnen (L; L1-L8;
L11-L28; L31, L32) über die Oberfläche der Detektor
bereiche (D; I1-I6; I10, I11, I20, I21; R1-R8)
geführt und mit zugeordneten Detektorbereichen oder De
tektor-Teilbereichen (D; I1-I6; I10, I11, I20, I21;
R1-R8) verbunden ist.
2. Abtasteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektorbereiche (D; I1-I6; I10, I11, I20,
I21; R1-R8) aus schmalen, rechteck- oder kreisab
schnittsförmigen und strahlungsempfindlichen Streifen
bestehen, deren Längsseiten im wesentlichen senkrecht
zur Messrichtung (x) benachbart zueinander angeordnet
sind, und dass die Leiterbahnen (L; L1-L8; L11-
L28; L31, L32) im wesentlichen senkrecht zu den Längs
seiten der Detektorbereiche (D; I1-I6; I10, I11,
I20, I21; R-R8) geführt sind.
3. Abtasteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass der optoelektronische Fotodetektor (6)
auf einem halbleitenden Grundkörper (60) des einen
Leitfähigkeitstyps angeordnete, die Detektorbereiche
bildende dünne, streifenförmige Schichten des anderen
Leitfähigkeitstyps (61), eine die Vorderseite des Foto
detektors (6) bildende Antireflexionsschicht (63) und
eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht (62)
aufweist und dass an den Verbindungen der Leiterbahnen
(L; L1-L8; L11-L28; L31, L32) mit zugeordneten De
tektorbereichen (D; I1-I6; I10, I11, I20, I21; R1-
R8) Öffnungen in der Antireflexionsschicht (63) vorge
sehen sind.
4. Abtasteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass der optoelektronische Fotodetektor (6)
auf einem halbleitenden Grundkörper (60) des einen
Leitfähigkeitstyps angeordnete, die Detektorbereiche
bildende dünne, streifenförmige Schichten des anderen
Leitfähigkeitstyps (61), eine die Vorderseite des Foto
detektors (6) bildende Antireflexionsschicht (63) und
eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht (62)
aufweist und dass an den Verbindungen der Leiterbahnen
(L; L1-L8; L11-L28; L31, L32) mit zugeordneten De
tektorbereichen (D; I1-I6; I10, I11, I20, I21; R1-
R8) die Antireflexionsschicht (63) mit den dünnen,
streifenförmigen Schichten (61) des anderen Leitfähig
keitstyps verbunden ist.
5. Abtasteinheit nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorbe
reiche (D; I1-I6; I10, I11, I20, I21; R1-R8)
periodisch zueinander angeordnet sind, wobei mehrere
benachbarte Detektorbereiche eine Gruppe (I1-I6;
I10, I11, I20, I21; R1-R8) bilden, die zueinander
phasenversetzte Abtastsignale liefert, und dass je
weils eine Leiterbahn (L; L1-L8; L11-L28; L31,
L32) mit den Detektorbereichen (D; I1-I6; I10, I11,
I20, I21; R1-R8) der verschiedenen Gruppen verbunden
ist, die phasengleiche Abtastsignale abgeben.
6. Abtasteinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass vier aktive Detektorbereiche eine Gruppe (I1-
I6; I10, I11, I20, I21) bilden, die vier jeweils um
90° phasenversetzte Abtastsignale liefert, dass minde
stens zwei Gruppen aktiver Detektorbereiche (I1-I6;
I10, I11, I20, I21) in Messrichtung (x) nebeneinander
angeordnet sind und dass vier parallele Leiterbahnen
(L1-L8; L11-L28) mit den Detektorbereichen der
Gruppen (I1-I6; I10, I11, I20, I21) verbunden sind,
die phasengleiche Abtastsignale abgeben.
7. Abtasteinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, dass mehrere Gruppen aktiver Detektorberei
che (I1-I6; I10, I11, I20, I21) in Messrichtung (x)
hintereinander und nebeneinander angeordnet sind, dass
eine dem Phasenversatz entsprechende Anzahl Leiterbah
nen (L1-L8; L11-L28) mit den Detektorbereichen
der in Messrichtung (x) hintereinander angeordneten
Gruppen (I1-I6; I10, I11, I20, I21) verbunden ist,
die phasengleiche Abtastsignale liefern, und dass die
phasengleiche Abtastsignale erfassenden Leiterbahnen
(L1-L8; L11-L28) der in Messrichtung (x) parallel
zueinander angeordneten Gruppen (I1-I6; I10, I11,
I20, I21; ) miteinander verbunden sind.
8. Abtasteinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindung der phasengleiche Abtastsignale
erfassenden Leiterbahnen (L1-L8; L11-L28) der in
Messrichtung (x) parallel zueinander angeordneten
Gruppen (I1-I6; I10, I11, I20, I21) auf der Rücksei
te des strukturierten Fotodetektors (6) angeordnet
ist.
9. Abtasteinheit nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der struktu
rierte Fotodetektor (6) in Messrichtung (x) mehrere
hintereinander angeordnete Gruppen (D; I1-I6; I10,
I11, I20, I21; R1-R8) mit jeweils mehreren Detek
torbereichen (D) aufweist, wobei der eine Teil der
Gruppen Referenzimpuls-Detektorbereiche (R1-R8) zur
Erzeugung von Referenzimpuls-Signalen und der andere
Teil der Gruppen Inkrementalsignal-Detektorbereiche
(I1-I6; I10, I11, I20, I21) zur Erzeugung von Inkre
mentalsignalen aufweist und dass die Referenzimpuls-De
tektorbereiche (R1-R8) mit Referenzimpuls-Leiterbah
nen (L31, L32) und die Inkrementalsignal-Detektorberei
che (I1-I6; I10, I11, I20, I21), die phasengleiche
Ausgangssignale liefern, mit jeweils einer Inkremental
signal-Leiterbahn (L1-L8; L11-L28) verbunden sind.
10. Abtasteinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest die Inkrementalsignal-Leiterbahnen (L1
-L8; L11-L28) über die strahlungsempfindlichen
Oberflächen der Inkrementalsignal-Detektorbereiche (I1
-I6; I10, I11, I20, I21) geführt und jeweils mit
phasengleiche Ausgangssignale liefernden Inkremental
signal-Detektorbereichen (I1-I6; I10, I11, I20, I21)
verbunden sind.
11. Abtasteinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, dass zwei Gruppen Inkrementalsignal-Detektor
bereiche (I10, I11, I20, I21) mit jeweils zwei in
Messrichtung (x) hintereinander und nebeneinander
angeordneten Gruppen von phasengleiche Ausgangssignale
liefernden Detektorbereichen (I10, I11 bzw. I20, I21)
und eine zwischen den beiden Gruppen von Inkrementalsi
gnal-Detektorbereichen (I10, I11, I20, I21) eine
Gruppe von Referenzimpuls-Detektorbereichen (R1-R8)
vorgesehen ist, und dass die Inkrementalsignal-Leiter
bahnen (L11-L28) jeweils zu den Stirnseiten des
strukturierten Fotodetektors (6) geführt sind.
12. Abtasteinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, dass die Referenzimpuls-Leiterbahnen (R1-R8)
zwischen die in Messrichtung nebeneinander angeordne
ten Gruppen von Inkrementalsignal-Detektorbereichen
(I10, I11, I20, I21) geführt sind.
13. Abtasteinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, dass die die Taktsignale der Referenzimpuls-Detek
torbereiche (R1-R8) erfassende Referenzimpuls-Lei
terbahn (L31) zu der einen Stirnseite zwischen den in
Messrichtung (x) nebeneinander angeordneten Gruppen
von Imkrementalsignal-Detektorbereichen (I10, I11) die
ser Seite und die die Gegentaktsignale der Referenzim
puls-Detektorbereiche (R1-R8) erfassende Referenzim
puls-Leiterbahn (L32) zu der anderen Stirnseite zwi
schen den in Messrichtung (x) nebeneinander angeordne
ten Gruppen von Inkrementalsignal-Detektorbereichen
(I20, I21) dieser Seite geführt sind.
14. Abtasteinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, dass die die Taktsignale und die die Gegentakt
signale der Referenzimpuls-Detektorbereiche (R1-R8)
erfassenden Referenzimpuls-Leiterbahnen L31, L32) ab
schnittsweise übereinander angeordnet zwischen den in
Messrichtung (x) nebeneinander angeordneten Gruppen
von Inkrementalsignal-Detektorbereichen (I10, I11 bzw.
I20, I21) der einen oder anderen Seite geführt sind.
15. Abtasteinheit nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Referenzimpuls-Leiterbahnen (L31,
L32) zumindest teilweise über die einander gegenüber
liegenden Schmalseiten der in Messrichtung (x) neben
einander angeordneten Gruppen der Inkrementalsignal-De
tektorbereiche (I10, I11, I20, I21) geführt sind.
16. Abtasteinheit nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
in Messrichtung (x) jeweils hintereinanderliegenden
Gruppen von Inkrementalsignal-Detektorbereichen (I10,
I11, I20, I21) mit jeweils einer Inkrementalsignal-Lei
terbahn (L11-L28) für phasengleiche Ausgangssignale
verbunden sind und dass die Inkrementalsignal-Leiter
bahnen (L11-L28) über die Referenzimpuls-Detektorbe
reiche (R1-R8) geführt sind.
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