專利名稱：光電式編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于精密測(cè)定的光電式編碼器(photoelectric encoder)。
背景技術(shù)：
以往，在直線位移和角度位移等的精密測(cè)定中使用光電式編碼器(以下，有時(shí)也稱為‘編碼器’)。編碼器被裝載在三維測(cè)定儀或圖像測(cè)定儀等上。編碼器由光源(light source)、包含光學(xué)格子(optical grating)的標(biāo)尺(scale)、以及可與光源一起相對(duì)標(biāo)尺相對(duì)移動(dòng)地(relatively movable)配置的光接收部構(gòu)成。光接收部包括例如四個(gè)光接收元件(例如光電二極管(photodiode))、以及對(duì)應(yīng)各光接收元件的光接收面(light detecting surface)配置的相位不同的四個(gè)標(biāo)定格子(index grating)。
下面簡(jiǎn)單說明編碼器的動(dòng)作。使光源與光接收部一起相對(duì)于標(biāo)尺相對(duì)移動(dòng)，同時(shí)，將來自光源的光通過包含標(biāo)尺的光學(xué)格子的光學(xué)系統(tǒng)照射(illuminating)到光接收部的四個(gè)標(biāo)定格子。即，使光接收部的標(biāo)定格子相對(duì)于標(biāo)尺的光學(xué)格子相對(duì)移動(dòng)，同時(shí)將來自光源的光照射到標(biāo)尺的光學(xué)格子所生成的干涉條紋(明暗圖形(light-and-shade pattern))照射到光接收部的標(biāo)定格子。由此，生成光的強(qiáng)弱正弦波狀地變化的四個(gè)光信號(hào)。這些光信號(hào)有相互不同的相位。利用這些光信號(hào)被對(duì)應(yīng)各相位的光接收元件接收，并進(jìn)行光電變換(photoelectric conversion)產(chǎn)生的電信號(hào)來測(cè)定直線等的位移量。
相位不同的四個(gè)光信號(hào)是A相(0度)的光信號(hào)、相位比A相偏移90度的B相(90度)的光信號(hào)、相位比A相偏移180度的AA相(180度)的光信號(hào)和相位比A相偏移270度的BB相(270度)的光信號(hào)。使用A相和B相的原因是，根據(jù)先檢測(cè)的是A相還是B相，來判斷光接收部的相對(duì)移動(dòng)的方向。此外，除了A相和B相的光信號(hào)以外，使用將它們反轉(zhuǎn)的AA相和BB相的光信號(hào)的原因是為了(1)除去包含在A相或B相的光信號(hào)中的直流分量，(2)確保光信號(hào)的可靠性和(3)確保高速跟蹤性。
只要有不同相位的對(duì)應(yīng)多個(gè)光信號(hào)的數(shù)量的光接收元件，在原理上就可進(jìn)行測(cè)定。因此，在相位不同的四個(gè)光信號(hào)的情況下，有四個(gè)光接收元件就可以。這種第1類型(type)的編碼器被公開在例如國(guó)際公開第01/31292號(hào)分冊(cè)上(說明書第5頁(yè)第19行～第6頁(yè)第7行，圖5)。
可是，因光源的光強(qiáng)度分布和標(biāo)尺面的污跡等原因，有時(shí)在光量上產(chǎn)生偏差。根據(jù)上述類型，各相位的光信號(hào)分別在一個(gè)部位檢測(cè)，所以容易受到光量偏差的影響。例如，在A相用的光接收元件的配置部位與其他光接收元件的配置部位相比照射的光的強(qiáng)度弱時(shí)，由于A相的輸出弱，所以測(cè)定精度下降。
因此，有如下類型的編碼器，即，通過將光接收元件很小地分割并陣列(array)狀地排列，使其兼?zhèn)錁?biāo)定格子的功能，進(jìn)一步將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為一組(set)，沿編碼器的測(cè)定軸(measurement axis)方向，將多個(gè)組陣列狀地配置的第2類型的編碼器。這種類型被公開在例如特開平7-151565號(hào)公報(bào)( 段，圖4)中。由此，由于將檢測(cè)各相位的光信號(hào)的部位分散在寬范圍內(nèi)，可以減小光量偏差的影響(以下，將其稱為‘平均效應(yīng)(averagingeffect)’)。
第2類型的編碼器中具有的光接收元件在測(cè)定軸方向以相等的間隔配置。相反，被公開在特表2004-501356號(hào)公報(bào)(圖4)中的第3類型的編碼器中具有的光接收元件各自以相等的間隔配置在測(cè)定軸方向及與其正交的方向。
提高平均效應(yīng)在提高測(cè)定精度上十分重要。但是，如果簡(jiǎn)單地提高平均效應(yīng)，則產(chǎn)生編碼器的應(yīng)答速度下降的問題。有關(guān)這個(gè)問題，下面詳細(xì)地說明。
光電二極管這樣的光接收元件具有將n型半導(dǎo)體層和p型半導(dǎo)體層形成結(jié)的結(jié)構(gòu)。如果這種結(jié)的電容增大，則編碼器的應(yīng)答速度下降。因此，結(jié)電容的增加對(duì)編碼器的性能產(chǎn)生不良影響。光接收元件的結(jié)電容與光接收面的面積和光接收面的周圍(邊緣)的長(zhǎng)度有相關(guān)關(guān)系。即，如果面積或周圍的長(zhǎng)度增大，則結(jié)電容增加，如果面積或周圍的長(zhǎng)度變小，則結(jié)電容減小。
在上述第2和第3類型中，即使合計(jì)的光接收面的面積與第1類型的面積相同，由于光接收元件的數(shù)目比第1類型多，所以周圍長(zhǎng)度的合計(jì)增大。因此，第2和第3類型與第1類型相比其結(jié)電容增大，所以編碼器的應(yīng)答速度下降。如以上那樣，在現(xiàn)有技術(shù)中，如果要提高平均效應(yīng)，則構(gòu)成光接收部的多個(gè)光接收元件的結(jié)電容的合計(jì)增加，相反，如果降低該合計(jì)，則平均效應(yīng)減小。
當(dāng)為更加精密的測(cè)定而使標(biāo)尺的光學(xué)格子窄間距化時(shí)，于此相對(duì)，光接收元件也必須窄間距化。因此，必須配置多個(gè)減小了光接收面的寬度的光接收元件。為了利用光電變換得到測(cè)定所必需的強(qiáng)度的電信號(hào)，合計(jì)的光接收面的面積必須達(dá)到一定量。因此，當(dāng)光接收元件窄間距化時(shí)，由于光接收元件的數(shù)量增加，故合計(jì)的光接收面周圍的長(zhǎng)度的合計(jì)也增大，隨之，合計(jì)的多個(gè)光接收元件的結(jié)電容增大。因此，當(dāng)標(biāo)尺的光學(xué)格子窄間距化時(shí)，不能忽視編碼器的應(yīng)答速率低下的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這種問題的發(fā)明，其目的在于提供一種光電式編碼器，其在提高平均效應(yīng)及減小多個(gè)光接收元件的合計(jì)的結(jié)電容這兩方面都可兼顧。
本發(fā)明的光電式編碼器包括光源；標(biāo)尺，其包括被來自所述光源的光照射的光學(xué)格子；多個(gè)光接收元件，其相對(duì)所述標(biāo)尺配置為可沿測(cè)定軸方向相對(duì)移動(dòng)，分別具有入射基于照射在所述光學(xué)格子的光所生成的光信號(hào)的光接收面，并檢測(cè)相位不同的多個(gè)光信號(hào)；所述多個(gè)光接收元件配置為矩陣狀，在矩陣端部配置的光接收元件的尺寸比在所述矩陣的中央部配置的光接收元件的尺寸小。
根據(jù)本發(fā)明的光電式編碼器，通過在陣列的端部使光接收元件的尺寸較小，可在陣列的端部側(cè)提高相對(duì)于以光源的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度的變化的平均效應(yīng)。另一方面，在陣列的中央部，由于光接收元件的尺寸較大，故可抑制光接收元件數(shù)量的增加。由此，可防止合計(jì)的多個(gè)光接收元件的結(jié)電容增大。
在本發(fā)明的光電式編碼器中，也可以是所述多個(gè)光接收元件沿所述測(cè)定軸配置，就所述光接收面的所述測(cè)定軸方向的尺寸而言，在所述陣列的端部配置的光接收元件比在所述陣列的中央部配置的光接收元件的小。
由此，在沿測(cè)定軸配置的多個(gè)光接收元件中，可使陣列的端部上配置的光接收元件的測(cè)定軸方向的尺寸較小。由此，在測(cè)定軸方向的陣列的端部側(cè)可將光接收元件的尺寸進(jìn)一步減小，所以，可將相對(duì)于光源的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度的變化的平均效應(yīng)在端部側(cè)進(jìn)一步提高。另外，可使在陣列的中央部配置的光接收元件的測(cè)定軸方向的尺寸較大。因此，不需要為了確保光接收面的面積的合計(jì)值為必要的量而增加光接收元件的數(shù)量，故可抑制多個(gè)光接收元件合計(jì)的結(jié)電容的增加。
在本發(fā)明的光電式編碼器中，可包括具有所述多個(gè)光接收元件的光接收芯片，使該光接收芯片還包括具有部分地覆蓋所述光接收面的遮光部的標(biāo)定格子。
由此，即使在陣列的中央部和端部光接收面的尺寸不同，各光接收元件也可以接收相位不同的多個(gè)光信號(hào)中被分配的相位的光信號(hào)。
在本發(fā)明的光電式編碼器中，光接收芯片可包括接觸部，其在導(dǎo)電性遮光部下方連接到該遮光部上，并和光接收面接觸；光接收元件的布線，其和遮光部連接。
由此，通過使標(biāo)定格子的遮光部兼作與光接收元件連接的布線，可防止光接收面的有效光接收面積減小。
在本發(fā)明的光電式編碼器中，可使所述多個(gè)光接收元件沿和所述測(cè)定軸正交的方向配置，就所述光接收面和所述測(cè)定軸正交的方向的尺寸而言，在所述陣列的端部配置的光接收元件的比在所述陣列的中央部配置的光接收元件的小。
由此，關(guān)于沿和測(cè)定軸方向正交的方向配置的多個(gè)光接收元件，根據(jù)與沿所述測(cè)定軸方向配置的多個(gè)光接收元件時(shí)相同的理由，可使陣列端部側(cè)的相對(duì)于光強(qiáng)度的變化的平均效應(yīng)進(jìn)一步提高，同時(shí)，可抑制多個(gè)光接收元件合計(jì)的結(jié)電容的增加。
在本發(fā)明的光電式編碼器中，可利用所述多個(gè)光接收元件構(gòu)成每組的光接收元件的尺寸不同的多個(gè)組，構(gòu)成各組的光接收元件具有以相同的間隔連續(xù)地配置且檢測(cè)相位不同的多個(gè)光信號(hào)的光接收元件。
由此，可配置光接收元件，使組內(nèi)的光接收元件的尺寸一定，得到組內(nèi)的平衡，同時(shí)，陣列的端部比中央部的間隔小。
在本發(fā)明的光電式編碼器中，在所述多個(gè)組中，在位于配置在所述陣列端部的組與配置在所述陣列中央部的組之間的所述陣列的中間部配置的組中，光接收元件的尺寸比所述陣列端部的組的所述尺寸大，且比所述陣列中央部的組的所述尺寸小。
由此，可根據(jù)光源的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度變化量，改變光接收元件的尺寸。由此，可不增加光接收元件的數(shù)量，在各端部組、中央部組、中間部組中，得到對(duì)光強(qiáng)度變化的充分的平均效應(yīng)。
在本發(fā)明的光電式編碼器中，可各自設(shè)定所述多個(gè)組的尺寸，使所述陣列的面上的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度變化量在各組上一定。
由此，可使相對(duì)于陣列面上的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度的變化量的平均效應(yīng)在各組中相同。
以上是本發(fā)明的光電式編碼器的一種方式，除此之外還有如下的方式。即，本發(fā)明的光電式編碼器的另一方式包括光源；標(biāo)尺，其包括被來自所述光源的光照射的光學(xué)格子；光接收芯片，其介由所述光學(xué)格子照射來自所述光源的光，同時(shí)，可相對(duì)所述標(biāo)尺在所述測(cè)定軸方向相對(duì)移動(dòng)；多個(gè)光接收元件，其沿所述光接收芯片上的測(cè)定軸方向及垂直于測(cè)定軸方向的方向配置為陣列狀；多個(gè)標(biāo)定格子，其被配置在所述多個(gè)光接收元件各自的前面；所述多個(gè)標(biāo)定格子相互沿測(cè)定軸方向以規(guī)定偏移量配置，通過所述相對(duì)移動(dòng)，自所述多個(gè)光接收元件輸出相位不同的多個(gè)光信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的光電式編碼器的另一方式，由于多個(gè)光接收元件沿測(cè)定軸方向及垂直于測(cè)定軸方向的方向以陣列狀配置，故可提高平均效應(yīng)。另外，通過在各所述光接收元件前面配置標(biāo)定格子，防止了多個(gè)光接收元件的合計(jì)結(jié)電容的增大。


圖1是表示第1實(shí)施方式的光電式編碼器的概略結(jié)構(gòu)的圖；圖2是示意地表示從圖1的光學(xué)格子側(cè)觀察的光接收芯片整體的平面圖；圖3是僅示意地表示圖2中的光電二極管的圖；圖4是從IV(a)-IV(b)剖面觀察圖2所示的光接收芯片的示意圖；圖5是顯示笫1實(shí)施方式的標(biāo)定格子的變形例的圖；圖6是顯示在光接收芯片上形成的PD陣列的各位置的光強(qiáng)度的強(qiáng)度的曲線圖；圖7是示意地顯示在第2實(shí)施方式的光電式編碼器的光接收芯片上形成的PD陣列的中央部中，一個(gè)光接收面和標(biāo)定格子的配置關(guān)系的平面圖；圖8是從VIII(a)-VIII(b)剖面觀察圖7所示結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖9是示意地表示從光學(xué)格子側(cè)觀察的第3實(shí)施方式的光接收芯片的光電二極管陣列的平面圖；圖10是第3實(shí)施方式的光接收芯片一部分的平面圖；圖11是示意地表示第4實(shí)施方式的光接收芯片的光電二極管陣列的平面圖；圖12是與第5實(shí)施方式比較的光接收芯片一部分的平面圖；圖13是第5實(shí)施方式的光接收芯片一部分的平面圖；圖14是第5實(shí)施方式的標(biāo)定格子的一例的平面圖；圖15是第5實(shí)施方式的標(biāo)定格子的另一例的平面圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照

本發(fā)明的光電式編碼器的第1～第5實(shí)施方式。另外，在說明第2～第5實(shí)施方式的圖中，對(duì)與已說明的實(shí)施方式的標(biāo)號(hào)表示的部分相同的部分，賦予同一標(biāo)號(hào)來省略說明。
第1實(shí)施方式圖1是表示第1實(shí)施方式的光電式編碼器1的概略結(jié)構(gòu)的圖。本實(shí)施方式以在光接收部中包括的光接收芯片(photodetector chip)的結(jié)構(gòu)為主要特征，作為其理解的前提，說明光電式編碼器1。首先，說明編碼器1的結(jié)構(gòu)。編碼器1由發(fā)光二極管(LED(light emitting diode))3、與沿與其接近的順序配置的標(biāo)尺5和光接收部7構(gòu)成。
發(fā)光二極管3是光源的一例，將來自二極管3的光L照射到標(biāo)尺5上。標(biāo)尺5包括由玻璃等透明材料構(gòu)成的長(zhǎng)形的透明襯底9。在圖1中，表示其一部分。光學(xué)格子11形成在透明襯底9的與面對(duì)發(fā)光二極管3側(cè)的面相反側(cè)的面上。光學(xué)格子11含有設(shè)置有以規(guī)定的間隔(pitch)線性配置的多個(gè)遮光部(shade portion)13。各遮光部13向圖面的進(jìn)深方向延長(zhǎng)。遮光部13由金屬(例如鉻)等構(gòu)成。
光接收部7與標(biāo)尺5間隔(gap)配置。光接收部7含有位于標(biāo)尺5側(cè)的光接收芯片15和搭載它的電路襯底17。在光接收芯片15內(nèi)形成未圖示的多個(gè)光電二極管(以下，有時(shí)將‘光電二極管’記載為‘PD’)。這些PD的各光接收面朝向光學(xué)格子11側(cè)。PD是光接收元件的一例。作為光接收元件，也可以使用光電晶體管(phototransistor)來取代PD。在電路襯底17中搭載有運(yùn)算用的IC芯片19。IC芯片19根據(jù)光接收芯片15的多個(gè)PD檢測(cè)出的光信號(hào)來執(zhí)行位移量的運(yùn)算。
光接收部7與發(fā)光二極管3被一起安裝在支架(holder)21上。支架21可在圖中X所示的標(biāo)尺5的縱向方向上移動(dòng)。即，光電式編碼器1通過相對(duì)于固定的標(biāo)尺5移動(dòng)支架21，來測(cè)定位移量。因此，X方向?yàn)闇y(cè)定軸(以下，將X方向作為‘測(cè)定軸X’)。再有，在將發(fā)光二極管3和光接收部7固定，使標(biāo)尺5移動(dòng)來測(cè)定位移量的類型中，也可以采用本發(fā)明。因此，包含光接收芯片15的光接收部7配置為可與發(fā)光二極管3一起相對(duì)于標(biāo)尺5在測(cè)定軸X方向上相對(duì)移動(dòng)。
下面，簡(jiǎn)單地說明光電式編碼器1的測(cè)定動(dòng)作。在從發(fā)光二極管3將光L照射到標(biāo)尺5的第1光學(xué)格子11上時(shí)，利用光學(xué)格子11在光接收芯片15上產(chǎn)生明暗圖形L1。該明暗圖形L1被照射到光接收芯片15上。在這種狀態(tài)下，由光接收芯片15中形成的各光電二極管(PD)檢測(cè)通過沿測(cè)定軸X移動(dòng)支架21產(chǎn)生的明暗圖形L1的變化(正弦波的光信號(hào))。即，A相(0度)的光信號(hào)、相位比A相偏移90度的B相(90度)光信號(hào)、相位比A相偏移180度的AA相(180度)的光信號(hào)和相位比A相偏移270度的BB相(270度)的光信號(hào)分別由對(duì)應(yīng)的PD檢測(cè)。這樣，各PD接收在相位不同的多個(gè)光信號(hào)中被分配的相位的光信號(hào)。
由各光信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)被送到IC芯片19上。在IC芯片19中，在對(duì)A相和B相進(jìn)行規(guī)定的處理(除去直流分量等)后，根據(jù)處理后的A相和B相來運(yùn)算位移量。將其結(jié)果輸出到未圖示的顯示部。以上是光電式編碼器1的動(dòng)作。
第1實(shí)施方式的主要特征是光接收芯片15，下面對(duì)其詳細(xì)地說明。圖2是示意地表示從光學(xué)格子側(cè)觀察的光接收芯片15整體的平面圖。圖3是僅示意地表示圖2中的光電二極管23的圖；圖4是從IV(a)-IV(b)剖面觀察圖2所示的光接收芯片15的示意圖；如圖4所示，光接收芯片15具有n型半導(dǎo)體襯底37。在該襯底37的一個(gè)面中，間隔形成p型的擴(kuò)散區(qū)域39。半導(dǎo)體襯底37和擴(kuò)散區(qū)域39的接合部形成PD23。多個(gè)PD23被以陣列狀配置在半導(dǎo)體襯底37上。
在半導(dǎo)體襯底37的一個(gè)面中，形成有p型擴(kuò)散區(qū)域39的區(qū)域作為光接收面25。另外，為了可靠地將p型擴(kuò)散區(qū)域39相互之間分離(即，各光電二極管23的元件分離)，也可以在擴(kuò)散區(qū)域39相互之間的半導(dǎo)體襯底37上形成n+型擴(kuò)散區(qū)域。半導(dǎo)體襯底37的一個(gè)面被硅氧化膜那樣的絕緣膜41覆蓋，以覆蓋擴(kuò)散區(qū)域39。
當(dāng)平面地看多個(gè)PD23時(shí)，如圖2及圖3所示，在和光學(xué)格子相互面向的xy面上沿測(cè)定軸X以陣列狀配置有多個(gè)PD23。另外，x軸和圖1說明的測(cè)定軸X的朝向一致。
將接收A相光信號(hào)的PD23、接收B相光信號(hào)的PD23、接收AA相光信號(hào)的PD23、接收BB相光信號(hào)的PD23形成一個(gè)組27。沿測(cè)定軸X方向，在陣列的中央部29上配置多個(gè)組27。在陣列的中央部29兩側(cè)的陣列的端部31上各自配置有一個(gè)組27。構(gòu)成在陣列端部31上配置的組27的PD23的間隔P1比構(gòu)成在陣列中央部29上配置的組27的PD23的間隔P2小。另一方面，在各組27內(nèi)以相同的間隔連續(xù)地配置PD23。由此，得到各組27內(nèi)的PD23的平衡。
在各光接收面25上入射基于照射到光學(xué)格子上的光生成的對(duì)應(yīng)的光信號(hào)(A相、B相、AA相、BB相)。換句話說，在將圖1所示的明暗圖形L1照射到光接收芯片15的狀態(tài)下，將通過移動(dòng)支架21生成的相位不同的多個(gè)光信號(hào)中分配的相位的光信號(hào)入射到各光接收面25上。光接收面25的形狀在y方向上是縱向方向的矩形。光接收面25的測(cè)定軸X方向的尺寸(即、光接收面25的寬度)在中央部29和端部31不同。即，在陣列端部31上配置的PD23的光接收面25的寬度W1比陣列中央部29的相應(yīng)的各寬度W2小。
其次，通過圖2及圖4說明標(biāo)定格子33。光接收芯片15具有形成在絕緣膜41上的標(biāo)定格子33，以覆蓋各光接收面25。標(biāo)定格子33具有向間隔配置在各光接收面25上的y方向延伸的多個(gè)遮光部35。遮光部35只要具有不透光的性質(zhì)即可。因此，其材料可列舉金屬(例如鉻、鋁)或樹脂。
在光接收面25上相鄰的遮光部35之間形成透光部(light transmittedportion)40。由此，可以說標(biāo)定格子33具有部分地覆蓋光接收面25的遮光部35。至少組裝兩個(gè)以上遮光部35，通過將它們配置在一個(gè)光接收面上，構(gòu)成一個(gè)標(biāo)定格子33。
在各光接收面25上，透光部40位于和分配的相位的光信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置，遮光部35位于其以外的位置。具體地說明如下，例如，在接收BB相光信號(hào)的PD23BB中，透光部40位于和BB相光信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置。由此，PD23BB不接收A相、B相及AA相的光信號(hào)。PD23的寬度在中央部29和端部31不同，但可通過使遮光部35的間隔相等來防止光信號(hào)相位的偏移。
如圖4所示，形成硅氧化膜或硅氮化膜那樣的保護(hù)膜43，以覆蓋標(biāo)定格子33。在半導(dǎo)體襯底37的另一面整個(gè)面上形成有各PD23的共通電極(例如Au電極)45。
以下通過圖5說明標(biāo)定格子33的變形例。圖5是光接收芯片15的剖面的示意圖，和圖4對(duì)應(yīng)。相鄰的光接收面25之間由遮光部35覆蓋。由相鄰的光接收面25之間入射到半導(dǎo)體襯底37的光有時(shí)會(huì)成為形成干擾的原因。根據(jù)該變形例，可防止光自相鄰的光接收面25之間入射到半導(dǎo)體襯底37上。
第一實(shí)施方式的光電式編碼器1具有如下主要效果。
(1)根據(jù)第1實(shí)施方式，可防止構(gòu)成光接收芯片15的多個(gè)PD23的合計(jì)結(jié)電容增大，同時(shí)在陣列端部31側(cè)，可提高相對(duì)于光源的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度變化的平均效應(yīng)。以下詳細(xì)地說明。圖6是顯示光接收芯片上形成的PD陣列的各位置的光強(qiáng)度的強(qiáng)度的曲線圖。發(fā)光二極管3這樣的光源通過控制光源尺寸等具有圖6所示的光強(qiáng)度分布。由該分布可知，與陣列的中央部相比，在陣列端部光的強(qiáng)度小，且光強(qiáng)度的變化量(曲線斜率)增大。因此，當(dāng)PD的間隔較大時(shí)，在陣列的端部，由各PD產(chǎn)生的光電流的直流分量之差增大。也就是說，A相光信號(hào)、B相光信號(hào)、AA相光信號(hào)、BB相光信號(hào)的直流分量的值相互不同，且差值大。這成為光電式編碼器高精度測(cè)定的障礙。
若采用PD的間隔較小的光接收芯片，可消除所述問題。但是，在規(guī)定大小的區(qū)域以陣列狀配置多個(gè)PD來制造光接收芯片時(shí)，當(dāng)使PD的間隔較小時(shí)，PD的數(shù)量就會(huì)相應(yīng)增加，構(gòu)成光接收芯片的多個(gè)PD的合計(jì)結(jié)電容就會(huì)增大。
本發(fā)明的發(fā)明者正是著眼于以光源的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度的變化量(曲線傾度)與陣列的中央部相比，陣列的端部大這一點(diǎn)。即，如圖3所示，在第1實(shí)施方式中，通過使在陣列端部31配置的PD23的間隔較小，在陣列端部31側(cè)提高了相對(duì)于光強(qiáng)度變化的平均效應(yīng)。而通過使在陣列中央部29配置的PD23的間隔較小，在陣列端部31側(cè)提高相對(duì)于光強(qiáng)度變化的平均效應(yīng)。另一方面，通過使在陣列中央部29上配置的PD23的間隔較大，抑制PD數(shù)量的增加，由此，可防止構(gòu)成光接收芯片的多個(gè)PD23的合計(jì)結(jié)電容的增大。
(2)根據(jù)第1實(shí)施方式，如圖3所示，在陣列端部31上配置的PD23的光接收面的寬度W1比在中央部29上配置的PD23的相應(yīng)的寬度W2小。由此，可使端部31側(cè)的PD23的間隔進(jìn)一步減小，故可進(jìn)一步提高端部31側(cè)的相對(duì)于光強(qiáng)度變化的平均效應(yīng)。另一方面，以寬度W1比寬度W2小的量，在中央部29上配置的PD23的光接收面的寬度W2形成地較大。因此，不需要為了確保光接收面25的面積的合計(jì)值為必要的量而增加PD23的數(shù)量，故可抑制多個(gè)PD23的合計(jì)結(jié)電容的增加。
(3)在第1實(shí)施方式中，如(2)說明的那樣，在陣列的中央部29和端部31上，光接收面25的寬度不同。通過將圖2所示的標(biāo)定格子33配置到光接收面25上，各PD23可接收相位不同的多個(gè)光信號(hào)中分配的相位的光信號(hào)。
第2實(shí)施方式有關(guān)第2實(shí)施方式，以與第1實(shí)施方式的差異為中心來說明。圖7是示意地顯示在第2實(shí)施方式的光電式編碼器的光接收芯片15上形成的PD陣列的中央部29中，一個(gè)光接收面和標(biāo)定格子33的配置關(guān)系的平面圖。圖8是從VIII(a)-VIII(b)剖面觀察圖7所示結(jié)構(gòu)的平面圖。
在第2實(shí)施方式中，標(biāo)定格子33的遮光部35作為連接在光電二極管23上的布線的一部分。以下詳細(xì)地說明。遮光部35是鋁那樣的導(dǎo)電性金屬。在光接收面25上配置的四個(gè)遮光部35和布線47位于相同的層。它們被同時(shí)制圖(patterning)形成。在遮光部35中中央的兩個(gè)遮光部35-1和布線47連接被制圖形成。
在遮光部35-1和光接收面25之間的絕緣膜41上形成有接觸孔(contacthole)49。在接觸孔49上形成有由導(dǎo)電塞(例如鋁)構(gòu)成的接觸部51。接觸部51在遮光部35-1下面與其連接，同時(shí)和光接收面25接觸(contact)。因此，布線47通過遮光部35-1及接觸部51被連接在光電二極管23上。另外，在該實(shí)施方式中，以導(dǎo)電塞形成接觸部51，但也可以在絕緣層41上形成作為遮光部35-1的膜時(shí)，在接觸孔49內(nèi)裝入該膜，將其作為接觸部。
第2實(shí)施方式除了有與第1實(shí)施方式同樣的效果以外，還有以下效果。當(dāng)布線47和光電二極管23的連接未使用遮光部35-1時(shí)，為了該連接，必須在和遮光部35相同的層的光接收面25上形成新的導(dǎo)電膜。該導(dǎo)電膜減少光接收面25的有效光接收面積。相反，在第2實(shí)施方式中，布線47和光電二極管23的連接使用了導(dǎo)電性遮光部35-1。因此，可防止光接收面25的有效光接收面積減小。
另外，當(dāng)不利用所述遮光部35-1時(shí)，在圖8的剖面上不存在接觸部51。因此，形成具有由遮光部35-1和p型擴(kuò)散區(qū)域39夾持絕緣膜41的結(jié)構(gòu)的寄生電容。這是降低編碼器應(yīng)答速度的原因。與此相對(duì)，在第2實(shí)施方式中，遮光部35-1和p型擴(kuò)散區(qū)域39通過接觸部51連接，故不產(chǎn)生所述的寄生電容。
第3實(shí)施方式對(duì)第3實(shí)施方式以與第1實(shí)施方式的差異為中心來說明。圖9是示意地表示從光學(xué)格子側(cè)觀察的第3實(shí)施方式的光接收芯片15的光電二極管陣列的平面圖。在該圖中，省略了標(biāo)定格子的圖示。圖10是第3實(shí)施方式的光接收芯片15的局部平面圖。在該圖中顯示了光接收面25和標(biāo)定格子的透光部40的位置關(guān)系。在光接收元件前面配置的格子稱為標(biāo)定格子。
如圖9所示，多個(gè)PD23的光接收面25二維(two dimensions)地配置在和光學(xué)格子相互面向的xy面上。換句話說，多個(gè)PD23被以陣列狀配置。也可以說是將多個(gè)PD23沿光接收芯片15上的x方向(即測(cè)定軸方向)及y方向(即垂直測(cè)定軸方向的方向)以陣列狀配置。在入射A相、B相、AA相、BB相的光信號(hào)的光接收面25上各自記載有“A”、“B”、“AA”、“BB”。這是為了顯示在哪個(gè)光接收面入射那種相位的光信號(hào)，在實(shí)際的光接收面25上沒有這些記載。A相用、B相用、AA相用、BB相用的光接收面25被周期性地配置在x方向及y方向。
如圖10所示，在y方向排列有不同相位用的光接收面25。通過偏移透光部40的相位，各PD23可接收對(duì)應(yīng)的相位的光信號(hào)。這樣，在各光接收面25上，透光部40位于和分配的相位的光信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置，標(biāo)定格子的遮光部位于其以外的位置。即，在各PD23的前面配置有標(biāo)定格子。這些標(biāo)定格子相互沿測(cè)定軸X方向以規(guī)定的偏移量配置，通過使支架21沿測(cè)定軸X移動(dòng)，自多個(gè)PD23輸出相位不同的多個(gè)光信號(hào)。在各光接收面25上配置的透光部40的數(shù)量是一個(gè)，但也可以是多個(gè)。
如圖9所示，在和測(cè)定軸X正交的方向即y方向，在陣列的端部53配置的PD23的間隔P1比在中央部55配置的PD23的間隔P2小。由此，(1)在y方向的陣列端部52上，可提高相對(duì)于光強(qiáng)度變化的平均效應(yīng)，(2)在陣列中央部55上，由于PD23的間隔較大，故可抑制PD23的數(shù)量增加，防止多個(gè)PD23的合計(jì)結(jié)電容的增大。
和陣列端部53上配置的PD23的光接收面25的測(cè)定軸X正交的方向(即、垂直于測(cè)定軸X方向的y方向)的尺寸S1比在中央部55上配置的PD23的相應(yīng)尺寸S2更小。因此，根據(jù)和第1實(shí)施方式說明的沿測(cè)定軸X方向配置的多個(gè)PD23時(shí)相同的理由，對(duì)沿y方向配置的多個(gè)PD23，可進(jìn)一步提高端部側(cè)53的相對(duì)于光強(qiáng)度變化的平均效應(yīng)，同時(shí)，可抑制多個(gè)PD23的合計(jì)結(jié)電容的增加。
另外，A相用、B相用、AA相用、BB相用的光接收面25各自相對(duì)于測(cè)定軸X傾斜地配置。在測(cè)定軸C的傾斜方向周期地配置A相用、B相用、AA相用、BB相用的光接收面25。這樣，接收相同相位的光信號(hào)的PD23相對(duì)于測(cè)定軸X被傾斜地配置，同時(shí)，接收不同相位的光信號(hào)的PD23被周期地配置在測(cè)定軸X的傾斜方向。由此，可均等地配置各相位用PD23，故可提高平均效應(yīng)。均等地配置各相位用PD23通過不規(guī)則地配置各相位用PD23也可以實(shí)現(xiàn)。但是，與這樣的配置相比，根據(jù)第3實(shí)施方式，可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)PD23配置的均等化。
第4實(shí)施方式第4實(shí)施方式以和第1實(shí)施方式的差異為中心說明。圖11是示意地表示第4實(shí)施方式的光接收芯片15的光電二極管陣列的平面圖，其和圖3對(duì)應(yīng)。
在位于陣列的中央部29和端部31之間的陣列的中間部57的組27中，PD23的間隔P3比間隔P1大，比間隔P2小。同樣，PD23的寬度W3比寬度W1大，比寬度W2小。
以下說明第4實(shí)施方式的主要效果。
(1)圖11的光接收芯片15的下面的曲線顯示光接收芯片15的陣列的各位置的光強(qiáng)度，其與圖6對(duì)應(yīng)。陣列的中間部57與陣列的端部31相比，光強(qiáng)度的變化量(曲線斜率)小。因此，中間部57即使不如端部31的PD23的間隔密，也可以得到充分的平均效應(yīng)。另一方面，陣列中間部57的光強(qiáng)度的變化量比陣列中央部29的光強(qiáng)度的變化量大。由此，當(dāng)使中間部57的PD23的間隔與中央部28的PD23的間隔匹配時(shí)，不能得到充分的平均效應(yīng)。
因此，在第4實(shí)施方式中，根據(jù)光強(qiáng)度變化量，改變PD23的間隔。由此，不增加PD23的數(shù)量，在各中央部29的組27、中間部57的組27、端部31的組27中，就可得到相對(duì)于陣列29、31、57的面上的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度的變化的充分的平均效應(yīng)。另外，該光強(qiáng)度分布例如因光源而產(chǎn)生。
再有，圖11的曲線(光強(qiáng)度分布)可以由實(shí)際測(cè)定值制作，也可以由高斯分布(Gaussian distribution)等模型值制作。
(2)在第4實(shí)施方式中，各自設(shè)定中間部57的組27的測(cè)定軸X方向的尺寸X3、端部31的組27的測(cè)定軸X方向的尺寸X1，以使陣列中間部57的組27上的光強(qiáng)度的變化量ΔE3和端部31的該變化量ΔE1相同。因此，可使相對(duì)于光強(qiáng)度的變化量的平均效應(yīng)在端部31的組27和中間部57的組27相同。由此，可使測(cè)定精度提高。
另外，在第4實(shí)施方式中，陣列中央部29的組27上的光強(qiáng)度的變化量比中間部57或端部31的該變化量小很多。因此，中央部29的光強(qiáng)度的變化量和中間部57或端部31的該變化量相同，設(shè)定中央部29的組27的測(cè)定軸X方向的尺寸是困難的。因此，在第4實(shí)施方式中，在組27的測(cè)定軸X方向的尺寸的設(shè)定上未考慮中央部29的組27。其中，當(dāng)中央部29的組27上的光強(qiáng)度的變化量較大時(shí)，最好也考慮中央部29的組27。
第5實(shí)施方式圖12是作為第5實(shí)施方式的比較的光接收芯片一部分的平面圖。圖13是第5實(shí)施方式的光接收芯片的一部分的平面圖。在第1～第4實(shí)施方式中，PD23的間隔P基于光強(qiáng)度的變化量決定。另一方面，標(biāo)定格子33的透光部40的位置基于光信號(hào)的相位決定。因此，如圖12所示的光接收面25-1，透光部40-1有可能不位于光接收面25-1上。
因此，在圖13所示的第5實(shí)施方式中，關(guān)于透光部40-1，在入射相同相位的光信號(hào)的前后位置偏移透光部40-1，使透光部40-1位于光接收面25-1上。
下面具體地說明第5實(shí)施方式。圖14是第5實(shí)施方式的標(biāo)定格子33的一例的平面圖。光學(xué)格子33沿x方向配置。該光學(xué)格子33可配置在圖3的光接收芯片15上。另一方面，圖15是第5實(shí)施方式的標(biāo)定格子33的另一例的平面圖。光學(xué)格子33沿x方向及y方向配置，即，以行列狀配置。該光學(xué)格子33可配置在圖9的光接收芯片15上。再有，在圖15中，沿y方向配置的標(biāo)定格子33的透光部40的位置在各相中相同地表示。這是為了避免圖面復(fù)雜，實(shí)際上有相位差。
透光部40的位置根據(jù)以下說明的計(jì)算決定。首先，在光接收芯片15上任意地決定x方向的基準(zhǔn)位置RP。一般地，作為基準(zhǔn)位置RP選擇，(1)在光接收芯片15的平面上引出的光接收芯片15的假想中心線(機(jī)械中心線)或(2)光接收芯片15的端面。
設(shè)基準(zhǔn)位置RP至各相位用透光部40的距離為Xa(k)、Xb(k)、Xaa(k)、Xbb(k)。K是表示透光部40順序的序號(hào)。例如，Xa(1)是在A相用透光部40中第一個(gè)配置的透光部40和基準(zhǔn)位置RP的距離。Xa(k)、Xb(k)、Xaa(k)、Xbb(k)設(shè)定為滿足下式的值。由此，可將透光部40配置在光接收芯片25上。
MOD(Xa(k)，Pf) ＝ (0/4)×Pf+φMOD(Xb(k)，Pf) ＝ (1/4)×Pf+φMOD(Xaa(k)，Pf)＝ (2/4)×Pf+φMOD(Xbb(k)，Pf)＝ (3/4)×Pf+φ在此，MOD(A、B)運(yùn)算是求A除以B的余數(shù)的運(yùn)算。另外，φ是由基準(zhǔn)位置RP決定的值。φ是在各相位中共通的值，與相位差無關(guān)。如圖1所示，Pf是相光學(xué)格子11照射來自光源3的光L時(shí)生成的明暗圖形L1的波長(zhǎng)。通過如上述那樣的決定標(biāo)定格子33的透光部40的位置，可使PD23接收對(duì)應(yīng)的相位的光信號(hào)。
再有，如圖6說明的那樣，根據(jù)PD陣列的位置不同光強(qiáng)度不同。因此，當(dāng)使用所述式?jīng)Q定透光部40的位置時(shí)，A相用PD23的總光接收量、B相用PD23的總光接收量、AA相用PD23的總光接收量、BB相用PD23的總光接收量不相同，有可能形成不均勻。此時(shí)，可通過改變透光部40的個(gè)數(shù)或尺寸使各相位用PD23的的總光接收量均勻。例如，在A相用PD23的總光接收量比其它PD23的總光接收量小時(shí)，要調(diào)整在A相用PD23的前面配置的標(biāo)定格子的透光部40的個(gè)數(shù)或?qū)挾取?br> 另外，在第1～第5實(shí)施方式中，使用四個(gè)相位不同的光信號(hào)(A相、B相、AA相、BB相)測(cè)定變位量，但本發(fā)明的光電式編碼器不限于此。例如，三個(gè)相位不同的光信號(hào)(0度相位的光信號(hào)、相位比0度相偏移120度的光信號(hào)、相位比0度相偏移240度的光信號(hào))也可適用于本發(fā)明的光電式編碼器。
另外，如圖1所示，第1～第5實(shí)施方式的光電式編碼器1是使用來自透過標(biāo)尺5的光學(xué)格子的發(fā)光二極管3的光L進(jìn)行變位量的測(cè)定的類型，即透過型的類型。但是，在反射型的類型，也就是使用來自由標(biāo)尺5的光學(xué)格子11反射的發(fā)光二極管3的光L測(cè)定變位量時(shí)，也可以使用本發(fā)明。
第1～第5實(shí)施方式的光電式編碼器1是包括在標(biāo)尺5上設(shè)置的光學(xué)格子11、在PD23前面配置的標(biāo)定格子33的兩片格子構(gòu)成的類型。但是，在這些格子的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步具有作為光源的發(fā)光二極管3和標(biāo)尺5之間配置的光學(xué)格子的三片格子構(gòu)成的類型中，也可以使用本發(fā)明。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光電式編碼器，可提高相對(duì)于光源的光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度變化的平均效應(yīng)，同時(shí)可防止多個(gè)光接收元件的合計(jì)結(jié)電容的增大。由此，可實(shí)現(xiàn)高精度且高速應(yīng)答的光電式編碼器。
權(quán)利要求
1.一種光電式編碼器，其特征在于，包括光源；標(biāo)尺，其包括被來自所述光源的光照射的光學(xué)格子；多個(gè)光接收元件，其相對(duì)所述標(biāo)尺配置為可沿測(cè)定軸方向相對(duì)移動(dòng)，分別具有入射基于照射在所述光學(xué)格子的光所生成的光信號(hào)的光接收面，并檢測(cè)相位不同的多個(gè)光信號(hào)；所述多個(gè)光接收元件配置為矩陣狀，在矩陣端部配置的光接收元件的尺寸比在所述矩陣的中央部配置的光接收元件的尺寸小。
2.如權(quán)利要求1所述的光電式編碼器，其特征在于，所述多個(gè)光接收元件沿所述測(cè)定軸配置，就所述光接收面的所述測(cè)定軸方向的尺寸而言，在所述陣列的端部配置的光接收元件比在所述陣列的中央部配置的光接收元件的小。
3.如權(quán)利要求2所述的光電式編碼器，其特征在于，具有包括所述多個(gè)光接收元件的光接收芯片，所述光接收芯片還包括具有部分地覆蓋所述光接收面的遮光部的標(biāo)定格子。
4.如權(quán)利要求3所述的光電式編碼器，其特征在于，所述光接收芯片包括接觸部，其在導(dǎo)電性的所述遮光部下方連接到該遮光部，同時(shí)和所述光接收面接觸；布線，其和所述遮光部連接。
5.如權(quán)利要求1所述的光電式編碼器，其特征在于，所述多個(gè)光接收元件沿和所述測(cè)定軸正交的方向配置，就所述光接收面和所述測(cè)定軸正交的方向的尺寸而言，在所述陣列的端部配置的光接收元件的比在所述陣列的中央部配置的光接收元件的小。
6.如權(quán)利要求1所述的光電式編碼器，其特征在于，由所述多個(gè)光接收元件構(gòu)成每組光接收元件的尺寸不同的多個(gè)組，構(gòu)成各組的光接收元件包括以相同的間隔連續(xù)配置并檢測(cè)相位不同的多個(gè)光信號(hào)的光接收元件。
7.如權(quán)利要求6所述的光電式編碼器，其特征在于，在所述各組中，所述光接收面的所述測(cè)定軸方向的尺寸相同，在所述陣列端部配置的組與在所述陣列中央部配置的組相比，所述光接收面的所述測(cè)定軸方向的尺寸小。
8.如權(quán)利要求6所述的光電式編碼器，其特征在于，在所述多個(gè)組中，在位于配置在所述陣列端部的組與配置在所述陣列中央部的組之間的所述陣列的中間部配置的組中，光接收元件的尺寸比所述陣列端部的組的所述尺寸大，且比所述陣列中央部的組的所述尺寸小。
9.如權(quán)利要求8所述的光電式編碼器，其特征在于，在各組中，所述光接收面的所述測(cè)定軸方向的尺寸相同，在所述陣列中間部配置的組中，所述光接收面的所述測(cè)定軸方向的尺寸比所述陣列端部的組的所述尺寸大，且比所述陣列中央部的組的所述尺寸小。
10.如權(quán)利要求6所述的光電式編碼器，其特征在于，分別設(shè)定所述多個(gè)組的尺寸，使所述陣列的面上的以光強(qiáng)度分布為原因的光強(qiáng)度變化量在各組上一定。
11.如權(quán)利要求6所述的光電式編碼器，其特征在于，具有包括所述多個(gè)光接收元件的光接收芯片，所述光接收芯片還包括具有部分地覆蓋所述光接收面的遮光部的標(biāo)定格子。
12.如權(quán)利要求11所述的光電式編碼器，其特征在于，所述光接收芯片包括接觸部，其在導(dǎo)電性的所述遮光部下方連接到該遮光部，同時(shí)和所述光接收面接觸；布線，其和所述遮光部連接。
13.一種光電式編碼器，其特征在于，包括光源；標(biāo)尺，其包括被來自所述光源的光照射的光學(xué)格子；光接收芯片，其介由所述光學(xué)格子照射來自所述光源的光，同時(shí)，可相對(duì)所述標(biāo)尺在所述測(cè)定軸方向相對(duì)移動(dòng)；多個(gè)光接收元件，其沿所述光接收芯片上的測(cè)定軸方向及垂直于測(cè)定軸方向的方向配置為陣列狀；多個(gè)標(biāo)定格子，其被配置在所述多個(gè)光接收元件各自的前面；所述多個(gè)標(biāo)定格子相互沿測(cè)定軸方向以規(guī)定偏移量配置，通過所述相對(duì)移動(dòng)，自所述多個(gè)光接收元件輸出相位不同的多個(gè)光信號(hào)。
14.如權(quán)利要求13所述的光電式編碼器，其特征在于，接收相同相位的光信號(hào)的所述光接收元件相對(duì)于所述測(cè)定軸傾斜地配置，同時(shí)，接收不同相位的光信號(hào)的所述光接收元件在所述測(cè)定軸的傾斜方向周期性地配置。
15.如權(quán)利要求13所述的光電式編碼器，其特征在于，就垂直于測(cè)定軸方向的尺寸而言，在所述陣列的端部配置的光接收元件比在所述陣列中央部配置的光接收元件小。
全文摘要
提供一種光電式編碼器。在光電式編碼器的光接收芯片上，沿測(cè)定軸X以陣列狀配置有多個(gè)光電二極管。在陣列的端部配置的PD的間隔及光接收面25的寬度分別比在陣列中央部配置的上述間隔及上述寬度小。
文檔編號(hào)G01D5/347GK1550761SQ200410043298
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
發(fā)明者小島健司 申請(qǐng)人:三豐株式會(huì)社