专利名称：光电式编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于精密测定的光电式编码器(photoelectritric encoder)。
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仪或图像测定仪等上。编码器由光源、包含光学格子的标尺、以及可与光源一起相对标尺相对移动地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系统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(明暗图形)照射到光接收部的标定格子。由此，生成光的强弱正弦波状地变化的四个光信号。这些光信号有相互不同的相位。利用这些光信号被对应各相位的光接收元件接收并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，为了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，为了(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。
只要有不同相位的对应多个光信号的数量的光接收元件，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(type)的编码器被公开在例如国际公开第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，有时光量会产生偏差。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，有如下第2类型的编码器，即，通过将光接收元件细分排列成阵列(array)状，使其兼备标定格子的功能，进一步将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，将多个组阵列状地配置。这种类型被公开在例如特开平7-151565号公报( 段，图4)中。由此，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(unevenness)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。这种类型被公开在例如国际公开第01/31292号分册上(说明书第21页第6行～第22页第23行，图16)。
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，则产生编码器的应答速度下降的问题。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型半导体层接合成结的结构。如果这种结的电容增大，则编码器的应答速度下降。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，即使合计的光接收面的面积与第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和第3类型与第1类型相比其结电容增大，所以编码器的应答速度下降。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，相反，如果降低光接收元件的结电容，则平均效应减小。
当为更加精密的测定而使标尺的光学格子窄缝(pitch)化时，于此相对，光接收元件也必须窄缝化。因此，必须配置多个减小光接收面的宽度的光接收元件。为了通过光电变换得到测定所需的强度的电信号，合计的光接收面的面积必须为一定量。因此，当光接收元件窄缝化时，由于光接收元件的数量增加，故合计的光接收面周围的长度也增大，同时，合计的多个光接收元件的结电容增大。因此，当标尺的光学格子窄缝化时，就不能忽视编码器的应答速率降低的问题。
发明内容
本发明是鉴于这种问题而开发的，其目的在于提供一种光电式编码器，其可同时提高平均效应及减小光接收元件的结电容。
本发明的光电式编码器包括光源；标尺，其包括被来自光源的光照射的第1光学格子；光接收部，与所述标尺间隔配置，可相对移动，其包括光接收元件，所述光接收元件具有入射基于照射在所述第1光学格子的光所生成的光信号的光接收面，利用在和所述第1光学格子对向的面上二维地配置的多个所述光接收元件检测相位不同的多个光信号；其特征在于，所述光接收面的形状是六边形。
根据本发明的光电式编码器，由于光接收元件的光接收面的形状是六边形，所以与方形的光接收面相比，可增加相邻配置的光接收面的数量。由此，可提高平均效应，可实现高精度的测定。另外，在光接收面的面积相同时，六边形光接收面的形状和方形光接收面的形状相比，可减小光接收面周围(边缘)的长度，所以可使光接收元件的结电容减小。其结果可提高光电式编码器的应答速度。
在本发明的光电式编码器中，可使多个光接收元件中相邻的光接收元件检测的光信号的相位不同。这样，可将检测相同相位的光接收元件分散。换言之，可将检测不同相位的信号的光接收元件相互靠近。因此，即使光信号的强度不均匀，由于该影响平均施加在接收不同相位信号的光接收元件上，也可以降低由相位间的光信号强度的偏差引起的测定误差。
在本发明的光电式编码器中，多个光接收元件可采用形成具有这些光接收面上配置的遮光部的第2光学格子的光接收芯片。由此，即使为了降低光接收元件的结电容而增大光接收面的面积，由于配置有第2光学格子，也可以高精度地测定。
在本发明的光电式编码器中，光接收芯片可包括接触部，其在导电性遮光部下方连接到该遮光部上，同时和光接收面接触；光接收元件的布线，其和遮光部连接。由此，可通过兼作将第2光学格子的遮光部连接在光接收元件上的布线来防止光接收面的有效光接收面积减小。
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的一部分的平面图；图3是从III(a)-III(b)剖面观察图2的光接收芯片的示意图；图4是示意地表示比较例的光电式编码器中具有的光接收芯片的一部分的平面图；图5是显示具有和正六边形相同面积的方形的周围(边缘)长度的曲线图；图6是示意地表示第1实施方式的光接收芯片变形例的一部分的平面图；图7是显示第1实施方式的光接收面与将利用该光接收面检测的光信号光电变换产生的电信号强度的关系的曲线图；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是示意地表示第2实施方式第1变形例的光接收芯片的一部分的平面图；图11是示意地表示第2实施方式第2变形例的光接收芯片的一部分的平面图；图12是示意地表示第2实施方式第3变形例的光接收芯片的一部分的平面图；图13是示意地表示第2实施方式第4变形例的光接收芯片的一部分的平面图；图14是示意地表示在第3实施方式的光电式编码器中配有的一个光接收面和第2光学格子的配置关系的平面图；图15是从XV(a)-XV(b)剖面观察图14显示的结构的示意图；图16是示意地表示在第2实施方式的光电式编码器中配有的一个光接收面和第2光学格子的配置关系的平面图；图17是从XVII(a)-XVII(b)剖面观察图16显示的结构的示意图；具体实施方式
以下，参照
本发明的光电式编码器的第1～第3实施方式。再有，在说明第2及第3实施方式的图中，对与已说明的实施方式的标号表示的部分相同的部分，附以同一标号省略说明。
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，作为其理解的前提，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、按靠近它的顺序配置的标尺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上。标尺5含有由玻璃等透明材料构成的长的透明衬底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含有以规定的间隔线性配置的多个遮光部13。各遮光部13向图面的进深方向延长。遮光部13由金属(例如铬)等构成。
光接收部7与标尺5间隔配置。光接收部7含有位于标尺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(phototransisrtor)来取代PD。在电路衬底17中搭载有运算用的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被一起安装在支架(holder)21上。支架21可在图中X所示的标尺5的纵向方向上移动。即，光电式编码器1通过相对于固定的标尺5移动支架21，来测定位移量。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，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上时，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，由光接收芯片15上形成的各光电二极管(PD)检测通过沿测定轴X移动支架21产生的明暗图形的变化(正弦波状的光信号)。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是示意地表示从图1的第1光学格子11侧观察的光接收芯片15一部分的平面图。多个光电二极管23的光接收面25被二维地配置在和第1光学格子相对的xy面。再有，x轴与图1中说明的测定轴X方向一致。
光接收面25的形状是正六边形。基于照射到第1光学格子的光生成的光信号入射到光接收面25上。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到各光接收面25。在入射A相、B相、AA相、BB相的光信号的光接收面25上各记载了(A)、(B)、(AA)、(BB)。这是为了表示在哪个光接收面上入射哪一相位的光信号，在实际的光接收面25上没有这样的记载。
说明光接收面25的二维配置。连接光接收面25的相互面向的一组顶点26的线的方向和y方向(即、和测定轴正交的方向)一致。光接收面25的各边和配置在周围的六个其它的光接收面25的一边对向。由此，在一个光接收面25的周围形成有六个光接收面25。因此，光接收面25配置为蜂巢状。然后，A相用光接收面25和AA相用光接收面25在x方向交替地排列配置所成的行与B相用光接收面25和BB相用光接收面25在x方向交替地排列配置所成的行在y方向交替地排列配置。
各相位用光接收面25的间隔P相互相等。在某相位用光接收面25的1间隔P内有另外三个相位用光接收面25。各相位用光接收面25的间隔P被逐一以(1/4)P错开配置。由此，可由该波长的四分之一相位差检测第1光学格子生成的光信号。
其次，说明光接收芯片15的剖面结构。图3是从III(a)-III(b)剖面观察图2的光接收芯片15的示意图。光接收芯片15包括n型半导体衬底27。在该衬底27的一个面中，设置间隔并形成p型的扩散区域29。半导体衬底27和扩散区域29的接合部形成光电二极管23。在半导体衬底27的一个面中，形成有p型扩散区域29的区域作为光接收面25。在扩散区域29相互之间的半导体衬底27上，形成n+型的扩散区域31。由此，p型扩散区域29与相邻的扩散区域29分离，即，各PD23被元件分离。
半导体衬底27的一个面被硅氧化膜或硅氮化膜那样的保护膜33覆盖，以使其覆盖扩散区域29、31。在另一面的整个面上形成各PD23的共用电极(例如Au电极)35。
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，可使光电二极管的结电容减小。将这些与比较例对比进行说明。图4是示意地表示比较例的光电式编码器中具有的光接收芯片的一部分的平面图，和图2对应。光接收芯片101具有沿x方向配置的多个光电二极管103。PD光接收面105的形状是纵向为y方向的长方形。
图5是显示具有和正六边形相同面积的方形的周围(边缘)长度的曲线图。横轴表示方形的长边和短边的比率，纵轴表示方形周围的长度。将正六边形周围的长度作为1。由图5可知，面积相同时，方形比正六边形的周围长度更长。
由此，根据图2所示的第1实施方式，即使合计的多个光接收面25的面积与合计的图4所示的多个光接收面105的面积相同，也可以将合计的周围长度减小。因此，可将光电二极管23的结电容减小，故可提高光电式编码器的应答速率。
(2)如图2所示，根据第1实施方式，由于光接收面25的形状是六边形，故可使可相邻配置的光接收面25的数量为六个。因此，由于图4所示的光接收面105的形状与方形的情况相比，可增加相邻配置的光接收面的数量，故可提高平均效应。由此，可实现高精度的测定。
(3)如图2所示，根据第1实施方式，PD23和位于周围的另外六个PD23检测的光信号的相位不同(换句话说，入射到各光接收面25的光信号的相位和入射到位于周围的另外六个光接收面25的光信号的相位不同)。因此，PD23与相邻的PD23检测的光信号的相位不同。由此，可使检测相同相位信号的PD23相互分散。换句话说，可使检测不同相位信号的PD23相互靠近。因此，即使光信号的强度不均匀，由于其影响平均施加在接收不同相位信号的光接收元件上，故也可以降低相位间的光信号强度的偏差引起的测定误差。
另外，在第1实施方式中，相邻的PD23检测的光信号的相位不同，但也可以使相邻的PD23检测的光信号的相位相同。图6是示意地表示这种情况下的光接收芯片15的一部分的平面图，和图2对应。图6和图2不同，连接光接收面25的相互面向的一组顶点26的线和x方向一致。然后，将A相用、B相用、AA相用、BB相用的光接收面25在y方向排列配置所成的列顺序地配置在x方向。换句话说，入射相同相位的光信号的光接收面25配置在y方向，同时，入射不同相位的光信号的光接收面25周期性地配置在测定轴X方向。此时，间隔P比图2的间隔更大，光接收量比图2的更大。
(4)图7是显示光接收面25与将由其检测的光信号光电变换产生的电信号S的强度的关系的曲线。根据第1实施方式，光接收面25的y方向的长度与两侧部37相比，中央部39的大，故可提高电信号S的对比度(contrast)。
(5)在第1实施方式中，由于光接收面25的形状是六边形，所以，如图2所示，在二维配置多个PD23时，可不必制造无用的空间(space)铺设多个PD23。因此，可将光接收芯片15小型化。
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。在第2实施方式中，在光接收芯片15上形成第2光学格子41，以覆盖图2所示的二维配置的各光接收面25。
第2光学格子41具有在光接收面25上间隔配置的多个遮光部43。遮光部43是纵向为y方向的棒状形状。在各光接收面25上配置有四条或三条遮光部43。为了不向不同相位用的光接收面25上入射相同相位的光信号，而将遮光部43错开配置(例如，A相用光接收面25的遮光部43A和B相用光接收面25的遮光部43B)。遮光部43只要具有不透光的性质即可，因此，其材料可列举金属(例如铬、铝)或树脂。在邻接的光接收面25的间隙形成有遮光部45。遮光部45与遮光部43同时制图(patterning)。
图9是从IX(a)-IX(b)剖面观察图8的光接收芯片的示意图。遮光部43通过硅氧化膜那样的绝缘膜47以规定的间隔形成在p+型扩散区域29上。n+型扩散区域31上面介由绝缘膜47由遮光部45覆盖。覆盖遮光部43、45形成保护膜33。这样，在各光接收面25中，第2光学格子41的透光部50位于和被分配的相位的光信号对应的位置，遮光部43位于其余的位置。透光部50是相邻的遮光部43之间的区域。
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。根据第2实施方式，即使为减小光电二极管23的结电容而增大光接收面25的面积，由于将第2光学格子41配置在光接收面25上，故也可高精度地测定。
第2实施方式有各种变形例。图10是示意地表示第1变形例的光接收芯片的一部分的平面图。在第1变形例中，在光接收芯片15上形成第2光学格子41，以覆盖图6所示的二维配置的各光接收面25。
图11是示意地表示第2变形例的光接收芯片15的一部分的平面图。和第1变形例不同的是，将A相用、B相用光接收面25在y方向上交替排列所成的列与AA相用、BB相用光接收面25在y方向交替排列所成的列在x方向交替排列。例如如A相用光接收面25的遮光部43A和B相用光接收面25的遮光部43B那样，将遮光部43错开配置。由此，可防止在不同相位用的光接收面25上入射相同相位的光信号。
图12、图13是各自示意地表示第3、第4变形例的光接收芯片的一部分的平面图。第2光学格子的图示被省略。在图12的第3变形例中，将在y方向顺序排列A相用、AA相用、B相用、BB相用的光接收面25所成的列在x方向顺序地排列。
图13的第4变形例与上述不同，是检测相位不同的三个光信号的光接收芯片。即、a相(0度)的光信号、相比a相相位偏移120度的b相(120度)的光信号及相比a相相位偏移240度的c相(240度)的光信号。在第4变形例中具有将在y方向顺序排列a相用、b相用、c相用的光接收面25所成的列在x方向顺序排列的结构。
即使是第3或第4变形例那样的光接收面25的二维配置，也可以通过设置第2光学格子来检测不同相位的光信号。
第3实施方式关于第3实施方式，以和第1及第2实施方式的差异为中心说明。图14是示意地表示在第3实施方式的光电式编码器中配有的一个光接收面25和第2光学格子41的配置关系的平面图。图15是从XV(a)-XV(b)剖面观察图14显示的结构的示意图。
在第3实施方式中，使第2光学格子41的遮光部43为与光电二极管43连接的布线的一部分。以下详细地说明。遮光部43是铝那样的导电性金属。布线53位于和遮光部43相同的层。布线53和遮光部43同时制图，以和遮光部43连接。在遮光部43和光接收面25之间的绝缘膜47上形成有接触孔(contacthole)49。在接触孔49中形成有由导电塞(plug)(例如铝)构成的接触部51。接触部51在遮光部43的下方与遮光部43连接，同时与光接收面25接触。因此，布线53通过遮光部43和接触部51连接到光电二极管23上。再有，在第3实施方式中，将导电塞作为接触部51，但在将作为遮光部43的膜形成在绝缘膜47上时，将该膜埋入接触孔49中，将其作为接触部也可以。
第3实施方式除了有与第1及第2实施方式同样的效果以外，还有以下效果。将其与第2实施方式对比说明。图16是示意地表示在第2实施方式的光电式编码器中配有的第2光学格子41和光接收面25的配置关系的平面图。图17是从XVII(a)-XVII(b)剖面观察图16显示的结构的示意图在第2实施方式中，在光接收面25上的遮光部43相互之间配置布线53。在其下方配置和布线53连接的接触部51，并使接触部51和光接收面25接触。由于布线53的一部分位于光接收面25上，故使光接收面25的有效光接收面积减小。与此相对，在第3实施方式中，将导电性遮光部43用于布线53和PD23的连接。因此，可防止光接收面25的有效光接收面积的减少。
再有，在第2实施方式中，如图17所示，在遮光部43和p型扩散区域29之间形成寄生电容。这是降低编码器应答速度的原因。与此相对，在第3实施方式中，由于遮光部43和p型扩散区域29通过接触部51连接，因此不产生所述那样的寄生电容。
另外，如图1所示，第1～第3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，在反射型的类型，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，可同时实现平均效应的提高和光接收元件的结电容减少。通过提高平均效应，可实现高精度的测定。另一方面，通过减少光接收元件的结电容，可提高光电式编码器的应答速率。
权利要求
1.一种光电式编码器，包括光源；标尺，其包括照射来自所述光源的光的第1光学格子；光接收部，其与所述标尺间隔配置，并可相对移动，包括光接收元件，所述光接收元件具有入射基于照射在所述第1光学格子的光所生成的光信号的光接收面，利用在和所述第1光学格子对向的面上二维地配置的多个所述光接收元件检测相位不同的多个光信号；其特征在于，所述光接收面的形状是六边形。
2.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于多个所述光接收元件不同于相邻相互之间检测的光信号的相位。
3.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于多个所述光接收元件是形成有具有在这些光接收面上配置的遮光部的第2光学格子的光接收芯片。
4.如权利要求3所述的光电式编码器，其特征在于，所述光接收芯片包括接触部，其在导电性的所述遮光部下与该遮光部连接，同时与所述光接收面接触；所述光接收元件的布线，其和所述遮光部连接。
全文摘要
提供一种光电式编码器。在光电式编码器的光接收芯片上二维地配置多个光电二极管的光接收面。使相位不同的四个光信号(A相、B相、AA相、BB相的光信号)入射到对应的光接收面。各光接收面的形状是正六边形。
文档编号H01L31/12GK1550762SQ20041004455
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月13日 优先权日2003年5月13日
发明者小岛健司 申请人:三丰株式会社