专利名称：光学式编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学式编码器，特别涉及使用光电二极管的光学式编码器。
背景技术：
光学式编码器(optical encoder)作为位置检测单元使用，例如，用于打印机的打印头的位置检测、或复印机的送纸量的控制等。
图11是光学式编码器的主要部分剖面构造的例子的示意图。即，图11中所示的光学式编码器，其发光元件31与受光元件32相对向设置。例如，发光元件31具有如下构造在引线框架40的前端安装LED(light emitting diode发光二极管)70，并用树脂对其周围进行适当的塑封。另一方面，受光元件32具有如下构造在引线框架50的前端安装受光IC 80，并用树脂对其周围进行适当的塑封。在这些发光元件31与受光元件32之间插入标尺(刻度尺)33，检测标尺33与编码器的相对位移。
图12是在受光IC 80上形成的光电二极管的平面图形的例子的示意图。如下面的详细论述，受光IC 80中设置了由平面状pn结构成的多个光电二极管及其驱动电路。另外，例如在专利文献1(日本特开2002-340669号公报)中，公开了使用此种光电二极管的光检测电路。
光学式编码器的情况如图12所示，这些光电二极管(1c、1d、……)分别大致形成长方形，在图12中Y方向上配置成阵列状。再通过连接器20顺序连接4相的布线(30a～30d)。也就是将相邻的4个光电二极管(1a～1d、2a～2d、……)连接成一组。
图13是表示标尺33与光电二极管的配置关系的示意图。
即，在标尺33中，透过光的图形部34与遮蔽光的图形部35相互交叉设置。这些图形34、35的间距(pitch)大致与光电二极管(1c、1d、……)排列的间距匹配。例如在同图所表示的具体例的情况，标尺33的明暗图形34、35相对1组光电二极管(1a～1d、2a～2d、)，匹配。
当发光元件31射出的光透过标尺33时，通过标尺的明暗图形34、35，射入受光元件32的光与明暗相关联，由于这种光的明暗，在各相光电二极管中流动的光电流产生差，在电路中检测并输出此光电流的差。
在图13所表示的具体例中，如果标尺33与受光元件31相对地位移，则在与光电二极管连接的4相布线中分别得到如图14所示波形的光电流。通过读取从4相布线(30a～30d)中分别得到的波形的时间变化，来了解标尺33与编码器的相对位移的方向及大小。
然而，对于已有的光学式编码器，因为光电流波形的DC成分高，故存在动态范围变窄等问题。
即，由图14可以清楚，由光电二极管得到的光电流波形，由DC电流成分及AC电流成分组合而成。这里存在的问题的是光电流含有DC电流成分。由标尺33赋予射入光电二极管的光以明暗，透过标尺33的明图形34的光的折射或衍射，或者受周围光的影响，本来无光线射入是理想的，暗图形35之下的光电二极管也有光线的射入，所以产生这样的DC成分。另外，相邻接的光电二极管之间因光或光载流子而产生串扰，也会产生DC成分。
若这样的DC电流成分产生，则AC电流成分在电流-电压转换电路被破坏，输出波形失真，产生电路的输出特性(占空比、相位差)下降的问题。针对这种问题，为了扩大动态范围，必须增大电源电压以使得增强射入的光线也不会破坏AC成分，则对电路的低电源电压化不利。
另外可以看到，这种DC成分随着编码器的小型化而越来越显著的倾向。这是因为伴随其小型化，发光元件31与受光元件32的间隔也缩小，由发光元件31发出且射入受光元件32的光的平行性下降。因此，也必须要在光学式编码器的小型化方面进行改进。
发明内容
本发明是基于对相关课题的认识而提出来的，目的在于提供一种光学式编码器，能够大幅度降低光电流中的DC成分。
根据本发明的第1方案，提供一种光学式编码器，其特征在于，具有第1光检测单元，其输出相对于明暗图形沿第1方向的移动而变化，该明暗图形的间距不大于一定值；第2光检测单元，其对上述明暗图形沿上述第1方向的移动，一直检测与明图形对应的光，该明暗图形具有不大于一定值的间距；及运算电路，其对上述第1光检测单元的输出与上述第2光检测单元的输出进行运算。
根据本发明第2方案，提供一种光学式编码器，其特征在于，具有多个第1光电二极管，其并列排列在第1方向上，其长度方向在大致垂直于上述第1方向的方向上；第2光电二极管，其邻接配置在上述多个第1光电二极管的上述长度方向端部上，其长度方向在上述第1方向上；及运算电路，其根据上述多个第1光电二极管的检测结果与上述第2光电二极管的检测结果进行运算。
根据本发明第3方案，提供一种光学式编码器，其特征在于，具有多个第1光电二极管，其并列排列在第1方向上；多个第2光电二极管，其配置在上述多个第1光电二极管之间，共用连接至同一布线；及运算电路，其根据上述多个第1光电二极管的检测结果与上述多个第2光电二极管的检测结果进行运算。
图1是表示本发明实施例相关的光学式编码器的光电二极管构成的例子的平面图。
图2是本实施例的一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。
图3是表示本实施例的另一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。
图4是本实施例的光学式编码器中能够使用的电路的示意图。
图5是用于对本发明中得到的DC成分消除效果进行说明的示意图。
图6是表示能用于本发明的电路的另外一个具体例的示意图。
图7是表示能用于本发明的光电二极管的第2个具体例的平面图。
图8是表示本实施例的一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。
图9是表示本实施例的另一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。
图10是表示能用于本发明的光电二极管的第3个具体例的示意图。
图11是光学式编码器主要部分剖面构造的例子的示意图。
图12是在受光IC80上形成的光电二极管的平面图形(pattern)的例子的示意13是表示标尺33与光电二极管的配置关系的示意图。
图14是表示光电流波形的曲线图。
具体实施例方式
以下，就本发明的实施例参照附图进行说明。
(1)第1实施例图1是表示本发明实施例相关的光学式编码器的光电二极管构成的例子的平面图。
即，本实施例中也是并列设置了大致长方形的信号用光电二极管(1a、1b、……、nd)。这些信号用光电二极管对任一根4相的布线30a～30d分别依次连接。也就是说，由4相布线30a～30d分别形成了共用连接的4相光电二极管组(1a～na、1b～nb、1c～nc、1d～nd)。而且，相邻接的光电二极管(例如1a～1d)排列成分别属于不同的光电二极管组。
另外，在这些信号用光电二极管的上下，设置了DC消除用光电二极管103。DC消除用光电二极管103的形成不需要象信号用光电二极管那样按预定间距分割，而是沿信号用光电二极管的排列方向连续延长成大致带状。
在各信号用光电二极管1a～nd中如前面有关图13的叙述，由于与未图示出的标尺的相对位移，流动与光的明暗变化对应的光电流。与之相对应，DC消除用光电二极管103中，不依赖于标尺的位移，而一直照射一定的光。也就是说，此DC消除用光电二极管103长度方向的宽度比未图示出的标尺的明暗图形的间距大，因此，即使标尺的位置变化，被光照射的面积及不被光照射的面积也分别一直固定，所以，一直能够得到固定的光电流。所以，利用从这些DC消除用光电二极管103来的光电流，可以消除信号用光电二极管1a～nd的光电流中的DC成分。关于这种用途的电路构成，在后面详细说明。
图2是表示本实施例的一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。即，此图是图1的A-A线的剖面图。
本具体例的情况，n型外延层112设置在p型硅衬底113上，形成了pn结光电二极管(1a、1b、……)。然后，通过p型隔离区域111将这些光电二极管相互隔离。
图3是表示本实施例的另一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。即，此图是图1的A-A线剖面图。
这种构造的情况，n+型埋层114设置在p型硅衬底113上，再在n+型埋层114上形成n型外延层112。然后，在该表面形成平面状p型扩散层111。通过该扩散层111形成的pn结，得到各个光电二极管(1a、1b、……)。
图4是表示能用于本实施例的光学式编码器的电路的示意图。
即，图4表示的是能够设置在具有如图2所表示的剖面构造的半导体中的电路。也就是说，此电路能够设置在光电二极管的外围，该光电二极管是通过在p型硅衬底113上形成n型外延层112得到的。
此电路具有电流、电压转换部300a～300d以及DC消除部200。
信号用光电二极管组(1a～na、1b～nb、1c～nc、1d～nd)分别与电流、电压转换部300a～300d连接。图4表示了它们之中的电流、电压转换部300d的构成。即，在电流、电压转换部300d中，通过转换用晶体管301及电阻303将光电二极管组(1d～nd)中流动的光电流转换成电压并输出。其他的电流、电压转换部300a～300c也具有同样的构造，这里省略图示。
另一方面，DC消除用光电二极管103与DC消除部200连接。DC消除用光电二极管103的阳极接地，另一方面，阴极与电流镜(current mirror电流反射镜)电路的基准PNP晶体管201的基极和集电极连接。而且，连接成基准PNP晶体管201流出的电流可以通过PNP晶体管(202～205)返回。PNP晶体管(202～205)的集电极与电流、电压转换部300d连接，经布线30d到达信号用光电二极管组(1d～nd)的阴极。
另外，与之同样，PNP晶体管202、203、204的集电极分别在各个电流、电压转换部300a、300b、300c与信号用光电二极管组1a～na、1b～nb、1c～nc的阴极连接。这里省略图示。
根据这种电路构成，电流、电压转换部300d的输入电流为(I1-I2)，可以仅消除(减去)电流I2的部分。也就是说，电流I2是基于在DC消除用光电二极管103中流动的光电流而形成的，因此可以补偿信号用光电二极管组得到的信号的DC成分。
图5是用于对本发明中得到的DC成分的消除效果进行说明的示意图。也就是，图5(a)是表示如图14所示的由已有光学式编码器得到的光信号的曲线图，图5(b)是表示由本实施例的光学式编码器得到的光信号的曲线图。
如上所述，由编码器得到的光信号具有DC成分及AC成分。对应于发光元件与受光元件的配置关系等，AC成分有时具有如图5虚线所示的比较大的振幅，有时具有如图5实线所示的比较小的振幅。这里，振幅小(实线)的情况下的振幅为B、DC成分的电平为A时，如图5(a)所示的未实施DC消除的情况下A与B的比率，例如大致是A∶B＝5∶1左右。与此相对，根据本实施例，可以降低DC成分的水平，直至降到如5图(b)所示的A∶B＝2∶1或以下。
用于消除的电流I2，设定为低于光电流I1的电流值。根据信号用光电二极管及DC消除用光电二极管的面积比，可以预测各个光电流值(DC电流成分)，在I2＜I1条件之内，可以自由设定电流镜电路的电流比率。由于电流镜比可以任意设定，所以可以将消除DC电流成分时需要的电流I2设定为最适当的DC消除量(电流值)。其结果，能够将由电流、电压转换部300得到的输出信号的DC成分的电平基本上降低到零。而且，如果扩大电流、电压转换电路的输出电压的动态范围，不是I1＜I2也能设定。
根据本实施例，通过这样降低光电流中的DC成分，可以得到以下的效果。
首先，能够扩大信号的动态范围。即，通过电路可以消除(减去)信号用光电二极管的光电流的DC电流成分，即使发光元件的光强度有变化，也可以将光电流的变化抑制得较小。其结果，可以扩大电路的输入动态范围。
其次，能够降低电路的电源电压。即，到现在为止，为了扩大电流、电压转换电路的动态范围，需要提高电源电压。相反，根据本实施例，由于抑制了因发光元件光强度的变化而导致的光电流的变化，故能够扩大动态范围，所以不必提高电源电压，就可以实现电路的低电源电压化。
另外，能够提高编码器的输出特性(占空比、相位差)的精度。即，通过降低DC成分，可以获得大幅度AC成分的光电流，从而能够精度良好地得到编码器功能的重要的输出特性(占空比、相位差)。
还有，编码器的小型化变得容易。即，若光学式编码器小型化，则使发光元件与受光元件的间距缩小，故导致射入受光元件的光的平行性降低。因此，不能在受光元件中正确地反映标尺的明暗图形，基于光的衍射等的DC成分有增加的趋势。与其相对，根据本实施例，能够确实且容易地降低DC成分，所以能够确保小型化且高分辨率的光学式编码器。
图6是表示能用于本发明的电路的另外一个具体例的示意图。即，图6表示如图3所示通过在n型外延层的表面上形成p型扩散层而形成光电二极管的情况下，能够设置在这些光电二极管的周围的电路。
本具体例的电路也具有电流、电压转换部300a～300d以及DC消除部200。然后，这里的DC消除用光电二极管103的阴极与Vcc连接，另一方面阳极连接至电流镜电路的基准NPN晶体管211的基极与集电极。由这个基准NPN晶体管211流出的电流在NPN晶体管(212～215)返回。另外，NPN晶体管215的集电极与信号用光电二极管组(1d～nd)的阳极连接。
根据其电路构成，电流、电压转换部300d的输入电流为(I1-I2)，可以消除(减去)电流I2的部分。
图7是表示能用于本发明的光电二极管的第2个具体例的平面图。关于图7，与上述图1至图6中相同的要素使用了同样的符号，这里省略详细说明。
本实施例中，DC消除用光电二极管103设置在信号用光电二极管(1a、1b、……nd)之间。这些DC消除用光电二极管103通过布线30e共用连接。
如图13中所示使用标尺33时，在1组也就是相邻接的4个信号用光电二极管(例如1a～1d)中，有2个光电二极管(例如1a与1b)在明图形34之下，其余2个光电二极管(例如1c与1d)在暗图形35之下。DC消除用光电二极管103也一样，对应1组信号用光电二极管设置4个DC消除用光电二极管103，因此，它们之中的2个被光照射，其余2个不照射光。
然而，这些DC消除用光电二极管103通过相同布线30e共用连接，因此，所有照射DC消除用光电二极管103的光的量都是一定的，与标尺的位置无关。也就是说，由DC消除用光电二极管103一直能够得到一定的光电流。利用此光电流，能够消除信号用光电二极管1a～nd的光电流中的DC成分，关于这种用途的电路，可以利用前面关于图5及图6说明过的电路等。
还有，本实施例的情况，由于在相邻接的信号用光电二极管之间插入DC消除用光电二极管103，因此可以得到降低信号用光电二极管间“串扰”的效果。例如图4中，通过在信号用光电二极管1a与1b之间设置DC消除用光电二极管103，能够降低这些光电二极管1a与1b之间的串扰(光电流的相互干扰)。也就是说，在光照射信号用光电二极管时，可以通过DC消除用光电二极管103吸收因半导体层中产生的光载流子(optical carrier)而引起的多余的光电流。因此，能够高效地提取光电流，降低信号用光电二极管间相互干扰的影响。其结果，可以提高空间的检测分辨率。
也就是说，由于编码器可以提取更高精度的光电流，因此，能够精度良好地得到作为编码器功能的重要的输出特性(占空比、相位差)。
图8是表示本实施例的一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。即，此图表示图7的A-A线的剖面构造。
本具体例具有与图2所示一样的层叠构造。即，在p型硅衬底113上设置n型外延层112，形成pn结光电二极管(1a、1b、……)。然后，这些光电二极管被p型扩散层111相互隔离。
图9是表示本实施例的另一个光电二极管的剖面构造的例子的示意图。即，此图表示图4的A-A线的剖面构造。
本具体例具有与图3所示一样的层叠构造。即，在p型硅衬底113上设置n+型埋层114，在n+型埋层114上形成n型外延层112。然后，在其表面形成平面状的p型扩散层111。通过此扩散层111形成的pn结，形成各个光电二极管(1a、1b、……)。
图10是表示能用于本发明的光电二极管的第3个具体例的示意图。关于图10，与上述图1至图9同样的要素使用了同样的符号，这里省略详细说明。
本实施例中，DC消除用光电二极管103也设置在信号用光电二极管组(1a、1b、……nd)之间。但是，这些DC消除用光电二极管103不仅在其上下端，而且在其中央附近也通过布线30e进行了共用连接。也就是说，本具体例中的DC消除用光电二极管103，由于在面向图10的上下方向上形成细长形状，因此上下方向的电阻率有增加的趋势。与其相对应，如图10所示那样，如果在光电二极管的中央附近也连接布线30e，则能够改进由DC消除用光电二极管103流出的光电流的取出阻抗。
另外，本具体例中，也是通过在信号用光电二极管之间设置DC消除用光电二极管103，得到能防止这些信号用光电二极管间的串扰的效果。
以上，就本发明的实施例参照具体例进行了说明。但是，本发明并不是局限于这些具体例。
例如，组合图1所示的DC消除用光电二极管与图7或者图10所示的DC消除用光电二极管也是可以的。如果按这样实施，可以增加DC消除用光电二极管的受光面积，能够增大消除用的光电流量，同时还能够防止信号用光电二极管间的串扰。
另外，关于以上说明的发光元件、受光元件、半导体衬底、半导体层、电极、电路要素等各个要素的材料、导电类型、载流子浓度、杂质、厚度、配置关系、图形形状等，经本领域技术人员加以适当的设计变更的，只要具有本发明的特征就属于本发明的范围。
其他，关于上述光学式编码器，本领域技术人员从公知技术范围进行适当选择的，只要具有本发明的特征就属于本发明的范围如以上详细说明，根据本发明能够提供一种光学式编码器，其能够大幅降低光电流中的DC成分，扩大动态范围，增大检测分辨率，容易小型化，在工业上有很大价值。
权利要求
1.一种光学式编码器，其特征在于，具有第1光检测单元，其输出相对于明暗图形沿第1方向的移动而变化，该明暗图形的间距不大于一定值；第2光检测单元，其对上述明暗图形沿上述第1方向的移动，一直检测与明图形对应的光，该明暗图形具有不大于一定值的间距；及运算电路，其对上述第1光检测单元的输出与上述第2光检测单元的输出进行运算。
2.一种光学式编码器，其特征在于，具有多个第1光电二极管，其并列排列在第1方向上，其长度方向在大致垂直于上述第1方向的方向上；第2光电二极管，其邻接配置在上述多个第1光电二极管的上述长度方向端部上，其长度方向在上述第1方向上；及运算电路，其根据上述多个第1光电二极管的检测结果与上述第2光电二极管的检测结果进行运算。
3.一种光学式编码器，其特征在于，具有多个第1光电二极管，其并列排列在第1方向上；多个第2光电二极管，其配置在上述多个第1光电二极管之间，共用连接至同一布线；及运算电路，其根据上述多个第1光电二极管的检测结果与上述多个第2光电二极管的检测结果进行运算。
4.如权利要求3所述的光学式编码器，其特征在于上述多个第2光电二极管配置在上述多个第1光电二极管的各自之间。
5.如权利要求1所述的光学式编码器，其特征在于，上述第1光检测单元具有沿上述第1方向排列的多个第1光电二极管、及多个布线；上述多个第1光电二极管分别由与上述多个布线中任一个布线共用连接的多个光电二极管组构成，而且，上述第1光电二极管中相邻接的光电二极管属于上述多个光电二极管组中不同的光电二极管组。
6.如权利要求2至4任一项所述的光学式编码器，其特征在于上述多个第1光电二极管，每4个分别与同一布线连接。
7.如权利要求1或5所述的光学式编码器，其特征在于上述第2光检测单元包含第2光电二极管，该第2光电二极管具有在向上述第1方向看时，比不大于上述一定值的间距大的光检测部。
8.如权利要求5所述的光学式编码器，其特征在于上述多个第1光电二极管分别具有在大致垂直于上述第1方向的方向上，延伸成大致长方形的光受光部；上述第2光电二极管具有沿上述第1方向延伸成大致长方形的光检测部。
9.如权利要求1或5所述的光学式编码器，其特征在于，上述第2光检测单元包含多个第2光电二极管，其沿上述第1方向排列；及布线，其共用连接上述多个第2光电二极管。
10.如权利要求9所述的光学式编码器，其特征在于上述多个第2光电二极管分别设置在上述多个第1光电二极管的各自之间。
11.如权利要求10所述的光学式编码器，其特征在于上述多个第1光电二极管分别具有在大致垂直于上述第1方向的方向上，延伸成大致长方形的光受光部；上述多个第2光电二极管分别具有在大致垂直于上述第1方向的方向上，延伸成大致长方形的光检测部。
12.如权利要求9所述的光学式编码器，其特征在于上述共用连接的布线包含与上述多个第2光电二极管的各自的中央附近连接的布线。
13.如权利要求2至5任一项所述的光学式编码器，其特征在于上述运算电路从上述第1光电二极管的输出中，将上述第2光电二极管的输出与固定系数的乘积减去。
14.如权利要求13所述的光学式编码器，其特征在于上述第2光电二极管的输出与上述固定系数的乘积比上述第1光电二极管的输出小。
全文摘要
本发明的目的是提供一种能够大幅度降低光电流中DC成分的光学式编码器。本发明的光学式编码器，其特征在于，具有第1光检测单元，其输出相对于明暗图形沿第1方向的移动而变化，该明暗图形的间距不大于一定值；第2光检测单元，其对上述明暗图形沿上述第1方向的移动，一直检测与明图形对应的光，该明暗图形具有不大于一定值的间距；及运算电路，其对上述第1光检测单元的输出与上述第2光检测单元的输出进行运算。
文档编号H01L31/10GK1542411SQ200410033490
公开日2004年11月3日 申请日期2004年4月9日 优先权日2003年4月9日
发明者田中明广, 铃永浩 申请人:株式会社东芝