专利名称：用于光学编码器的光接收器件及光学编码器的制作方法
相关申请的交叉参考本申请基于且要求2004年11月12日申请的在先日本专利申请No.2004-329704的优先权；该专利申请的全部内容在此引作参考。
背景技术：
本发明涉及一种用于光学编码器的光接收器件和光学编码器。具体而言，本发明涉及一种使用光电二极管的光学编码器的光接收器件以及装有相同光接收器件的光学编码器。
光学编码器包括相对设置的光发射部件和光接收部件。光学编码器被设计成当通过处于光发射部件与光接收部件之间的适当地设有透明图案和遮光图案的标尺时能够检测信号的改变。通过适当地设定光接收部件与标尺的间距，光学编码器可用作具有所需分辨率的位置检测装置(例如，日本未审公开专利申请2002-340669)。光学编码器用于多种应用中，诸如检测打印机中打印头的位置以及控制复印机中的进纸量。
不过，在传统的光学编码器中，光接收部件中光电二极管的尺寸必须非常小，以便提高空间分辨率，这就产生不易于制造的问题。
此外，在传统的光学编码器中，从光接收器件获得的光电流波形具有高DC分量，这就产生动态范围狭窄的问题。
本发明提供一种用于光学编码器的光接收器件和一种光学编码器，易于提高空间分辨率，并且还能减小光电流中的DC分量。
发明内容
根据本发明一个方面，提供一种用于光学编码器的光接收器件，包括多个在第一方向并置且沿第二方向延伸的第一光电二极管，该第二方向通常垂直于该第一方向；以及分别设置在多个第一光电二极管上的遮光层，该遮光层设有开口，从而当具有透光图案和遮光图案的标尺沿该第二方向移动时，透过该透光图案的光相继照射所述多个第一光电二极管中的至少一个和至少另一个。
根据本发明另一方面，提供一种光学编码器，包括光发射部件；和与该光发射部件相对设置的光接收部件，光接收部件具有包括光接收器件，该光接收器件包括在第一方向并置且沿第二方向延伸的多个第一光电二极管，该第二方向通常垂直于该第一方向；以及，分别设置在该多个第一光电二极管上的遮光层，该遮光层设有开口，从而当具有透光图案和遮光图案的标尺沿该第二方向移动时，透过该透光图案的光相继照射所述多个第一光电二极管中的至少一个和至少另一个。
通过下面给出的详细说明并且根据本发明实施例的附图，将更充分地理解本发明。不过，附图无意于表示将本发明局限于特定实施例，而仅仅出于解释和理解的目的。
在附图中图1所示的平面透视图表示根据本发明第一实施例的光学编码器的光接收器件的结构；图2所示的平面图表示去除遮光层的本发明特定示例的光接收器件；图3为表示光学编码器相关部分的剖面结构的示意图；图4为表示一部分标尺的示意平面图；图5所示的示意图表示本发明实施例的光接收器件的开口22A与标尺33的间距之间的关系；图6所示的平面透视图表示根据本发明第一实施例的另一特定示例，光学编码器的光接收器件的结构；图7所示的平面图表示去除遮光层的本发明特定示例的光接收器件；图8所示的平面透视图表示根据本发明第二实施例的光学编码器的光接收器件的结构；图9所示的平面图表示去除遮光层的本发明特定示例的光接收器件；图10所示的示意图表示本发明实施例的光电二级管的剖面结构的一个示例；图11所示的示意图表示本发明实施例的光电二极管的剖面结构的另一示例；图12所示的示意图表示本发明实施例的光接收器件的开口22A与标尺33的间距之间的关系；图13所示的示意图表示在实现本发明的过程中，发明者研究的比较示例的光学编码器中光接收器件的平面图案；图14所示的示意图表示在比较示例中标尺33与光接收器件之间的位置关系；图15表示在使用比较示例的光接收器件时获得的光信号波形的曲线图；图16为说明本发明实现的DC分量消除效果的示意图；图17为表示本发明实施例的光学编码器中可使用的电路的示意图；图18为表示本发明中可使用的电路的另一示例的示意图；图19所示的平面透视图表示本发明实施例中可使用的光接收器件的第二特定示例；图20所示的平面图表示去除遮光层的本发明特定示例的光接收器件；图21所示的平面透视图表示本发明实施例中可使用的光接收器件的第三特定示例；图22所示的平面图表示去除遮光层的本发明特定示例的光接收器件；图23所示的平面透视图表示本发明实施例中可使用的光接收器件的第四特定示例；图24和25所示的示意图表示本发明特定示例的光电二极管的剖面结构；图26所示的平面透视图表示本发明实施例中可使用的光接收器件的第五特定示例；图27所示的示意图表示未设有绝缘区域30的情形；图28所示的示意图表示设有绝缘区域30的情形中开口22A的宽度；图29所示的示意透视图表示本发明中可使用的光接收器件的另一特定示例；以及图30所示的示意透视图表示本发明中可使用的光接收器件的另一特定示例。
具体实施例方式
现在将参照附图描述本发明的实施例。
图1所示的平面透视图表示根据本发明第一实施例的光学编码器的光接收器件的结构。
图2所示的平面图表示去除遮光层的该特定示例的光接收器件。
更具体而言，该特定示例的光接收器件包括通常为沿第一方向(在图1和2中为x-方向)延伸的条形结构的第一光电二极管1a至1d。如后面详细描述的，通过在半导体层上生长外延层或者在平面结构中扩散杂质，形成这些光电二极管1a至1d。
金属布线20通过接触10连接到光电二极管1a至1d的两端。
如图1中所示，遮光层22设置在第一光电二极管1a至1d上。例如，可由与金属布线20相同的金属层形成遮光层22。在这一方面，将遮光层22连接地电势是有益的，因为这还实现了屏蔽效果。遮光层22具有以预定的间距形成的开口22A。应当注意，在实际的光接收器件中，光电二极管沿x-方向延伸且设有比图示中多得多的开口22A。不过，在本申请中，为了方便仅表示出众多开口22A中的两个周期。在图1中所示的特定示例中，为第一光电二极管1a设置的开口22A与后面详细描述的标尺的亮/暗图案的间距相匹配。同样，第一光电二极管1b，1c和1d以相同的间距设有分别具有不同相位的开口22A。在该特定示例中，分别给四个光电二极管1a至1d指定四个相位A到D。
为每个光电二极管1a至1d设置的开口22A的间距最好与后面详细描述的标尺的亮/暗图案的间距相匹配。不过，不要求开口22A与标尺的亮/暗图案相同。只要开口22A与通过标尺的亮/暗图案的光在光接收器件的光接收表面上形成的光强的空间分布相匹配就足够了。
图3所示的示意图表示安装有这种光接收器件的光学编码器相关部分的剖面结构。
在图3所示的光学编码器中，光发射部件31与光接收部件32相对设置。将光发射部件31设计成，使例如LED(发光二极管)70安装在引线框40的末端，并且用树脂适当地浇铸其外围。将光接收部件32设计成，使光接收器件80安装在引线框50的末端，且用树脂适当地浇铸其外围。将标尺33插入光发射部件31与光接收部件32之间。检测标尺33与编码器之间的相对位移。
图4为表示一部分标尺的示意平面图。如图中所示，标尺33交替地设有用于透光的透光图案部分34和用于遮光的遮光图案部分35。这些图案部分34和35的间距通常与遮光层22中开口阵列22A的间距相匹配。
图5所示的示意图表示本实施例的光接收器件的开口22A与标尺33的间距之间的关系。应当注意，为了便于描述，该图表示成光接收器件与标尺33并置。不过，在如图3中所示的实际操作中，将它们设置成使标尺33穿过光接收器件的上面。此外，标尺33具有一定宽度(图5中的垂直宽度)，使其完全覆盖光接收器件的光接收表面。
对于每个光电二极管1a至1d，开口22A的间距与标尺33的亮/暗图案的间距相匹配。例如，为光电二极管1a提供的开口22A的间距P1与标尺33的透光图案部分34和遮光图案部分35的间距P2相同。为每个光电二极管1b至1d提供的开口22A也按照与标尺33的亮/暗图案的间距P2相同的间距形成。
光接收器件与标尺33之间的相对位移，改变从光电二极管1a至1d分别得到的光电流信号。可通过检查光电流的改变确定位移量。特别是，在图5所示的特定示例中，标尺33的透光图案部分34的宽度W1与遮光图案部分35的宽度W2相同，并且是开口22A宽度的两倍。当标尺33沿箭头M的方向移动时，由透光图案部分34和遮光图案部分35形成的亮/暗图案在光接收器件上沿箭头M的方向移动。然后按照相位A→相位B→相位C→相位D的顺序照射开口22A。通过每个光电二极管1a至1d观察光电流信号的起伏。此时，假设透光图案部分34的宽度W1与遮光图案部分35的宽度W2相同，则每个开口22A被照射的持续时间(亮持续时间)等于开口22A未被照射的持续时间(暗持续时间)。即，得到占空比为1的振幅信号。对于光电二极管1a至1d，这些光电流信号的起伏彼此具有偏移90度的相位差。可通过检查光电流信号的起伏可检测标尺33的移动方向和移动速度(移动量)。
根据本实施例，编码器的分辨率由设置在遮光层22中的开口22A的间距决定。有利的是，不必精细地分割扩散区与外延区。更具体而言，在半导体层中分割扩散区与外延区，从加工的观点看会限制最小尺寸，从而不易于进行精细分割。相反，在本实施例中，编码器的分辨率由设置在遮光层22中的开口22A的尺寸和间距决定。由于遮光层22可由与金属布线20相同的金属层形成，因而可在与金属布线相同的精细设计规则(最小尺寸)的基础上形成开口22A。从而，可大大提高编码器的分辨率。
此外，由与金属布线相同的金属层形成遮光层22并使其连接地电势是有利的，因为这也实现了对光电二极管1a至1d的屏蔽效果。
另外，根据本实施例，可抑制输出电流的改变，同时简化光电二极管的结构。更具体而言，光电二极管的精细间隔要求形成到各个光电二极管的布线，这就使布线结构复杂。相反，在本实施例中，可将光电二极管的数量减小到要检测的相位数量(或者其整数倍)。例如，在图1至5所示的光接收器件中，使用四个光电二极管1a至1d可检测四个相位的(相位A到D)光电流信号。即，可显著地简化布线结构。
当形成大量的具有小尺寸的光电二极管时，诸如扩散条件的工艺条件的改变也会使光电流输出发生改变。相反，根据本实施例，可提供相位数量(或其整数倍)的大光电二极管，这就减小改变并获得均匀的光电流输出。
应当注意，在图1或5所示的平面结构中，相邻光电二极管(例如光电二极管1a和1b)之间的区域也被遮光层22遮蔽。这样就实现了减小相邻光电二极管之间“串扰”的效果。例如，在图1或5中，当照射光电二极管1a和1b之间的区域时，在这些光电二极管之间有可能发生由于半导体层中产生的光载流子引起的额外光电流的相互干扰。在这一方面，在图1和5所示的结构中，通过用遮光层22遮蔽这些光电二极管之间的区域，可减小光电二极管之间的相互干扰效应。结果，可增大空间检测分辨率。由于可从该编码器获取更精确的光电流，因而可更精确地获得与编码器功能有关的输出性质(占空比，相位差等)。
不过，只要得到所需的分辨率，则在光电二极管之间可不设置遮光层22。即，在图1或5所示的平面结构中，仅在每个光电二极管1a至1d上设置遮光层22的结构也包含在本发明范围之内。这也就是下面详细描述的图6，29和30中所示结构的情形。
图6所示的平面透视图表示本实施例中可使用的光接收器件的第二特定示例。
图7所示的平面图表示去除遮光层的该特定示例的光接收器件。
对于这些附图，用相同数字标记与参照图1至5所述的元件相同的元件，且不进行详细描述。
在该特定示例中，通常也是平行地并置一般为条形结构的沿x-方向(图6中的水平方向)延伸的第一光电二极管1a至1d。不过，在该特定示例中，通过设置在中间的绝缘区域30将第一光电二极管1a至1d水平地分成两部分。可将由嵌入的绝缘体或高阻层形成绝缘区域30，或者由通过蚀刻掉表面半导体层形成的沟槽形成绝缘区域30。
在本特定示例中，绝缘区域30左侧的开口22A的相位与右侧的相位不同。例如，对于第一光电二极管1a，与“相位A”相应的开口22A设置在绝缘区域30的左侧，而与“相位C”相应的开口22A设置在右侧。如上参照图3和4所示用通过标尺33的亮/暗图案照射时，在第一光电二极管1a左侧开口22A部分中以及在第一光电二极管1c右侧开口22A部分中同时产生针对“相位A”的光电流。即，在图6中垂直方向上(沿y-方向)不同的光电二极管中同时产生光信号。特别是，使用光电二极管1a的左部和光电二极管1c的右部检测“相位A”，使用光电二极管1b的左部和光电二极管1d的右部检测“相位B”，使用光电二极管1c的左部和光电二极管1a的右部检测“相位C”，并使用光电二极管1d的左部和光电二极管1b的右部检测“相位D”。
由此，即使光照在y-方向具有任何不均匀性，也能得到更均匀的光电流信号。更具体而言，如图1中所示，在将“相位A”指定给光电二极管1a，将“相位B”指定给光电二极管1b，等等的相位分配条件下，当沿y-方向光照不均匀时，在相位之间光电流输出是不同的。
相反，根据该特定示例，由沿y-方向分布的与“相位A”，“相位B”等等相应的光接收部件得到对y-方向的任何不均匀性求平均的光电流输出。例如，假设光电二极管1a具有较大光照，光电二极管1c具有较小光照。即便在此情形中，根据该特定示例，也能在这些光电二极管1a和1c中检测到对于“相位A”的光电流信号，并求平均。
应当注意，虽然图6和7表示在第一光电二极管的中心区域设置绝缘区域30的特定示例，不过本发明不限于此。更特别地，可为每一个沿x-方向延伸的第一光电二极管1a至1d设置多个绝缘区域30，将每个光电二极管分成三个或更多部分。就光电二极管的数量而言，本发明不限于条形结构设置的四个光电二极管1a至1d。可将多于四个光电二极管并置。例如，可使用后面参照图21和22所述的结构将光沿x-方向以及y-方向的任何不均匀性求平均。
下面，作为本发明的第二实施例，将描述消除了光电二极管输出的光信号中包含的DC分量的光接收器件以及具有这种光接收器件的光学编码器。
图8所示的平面透视图表示根据本发明第二实施例光学编码器的光接收器件的结构。
图9所示的平面图表示去除遮光层的该特定示例的光接收器件。
更具体而言，该特定示例的光接收器件包括沿第一方向(x-方向)延伸、通常为条形结构的第一光电二极管1a至1d和第二光电二极管2a至2c。第一和第二光电二极管1a至2c通常交替地平行并置。第一光电二极管1a至1d的宽度W1大于第二光电二极管2a至2c的宽度W2。不过，本发明不限于此。宽度W1可等于W2，或者W2可以更大。
图10所示的示意图表示本实施例光电二极管的剖面结构的一个示例。即，该附图是沿图8中线A-A作出的剖面图。
在该特定示例中，在p-型硅基片113上形成n-型外延层112，以形成p-n结光电二极管(1a，2a，…)。这些光电二极管通过p-型分隔区域111彼此分离。
图11所示的透视图表示本实施例光电二极管剖面结构的另一示例。即，该附图也是沿图8中线A-A的剖面图。
在该结构中，在p-型硅基片113上形成n+-型埋入层114，并在n+-型埋入层114上形成n-型外延层112。在平面结构的n-型外延层112的表面中形成p-型扩散区域115。由扩散区域115形成的p-n结构成每个光电二极管(1a，2a，…)。
回到图8，金属布线20通过电触点10与光电二极管1a至2c的两端连接。
如图8中所示，遮光层22处于第一光电二极管1a至1d上。例如，可由与金属布线20相同的金属层形成遮光层22。在这一方面，将遮光层22连接地电势是有利的，因为这样还实现了屏蔽效果。遮光层22具有以预定间距形成的开口22A。在图8中所示的特定示例中，为第一光电二极管1a设置的开口22A之间的间距与后面详细描述的标尺的亮/暗图案的间距相匹配。同样，第一光电二极管1b，1c和1d设有相同间距、分别具有不同相位的开口22A。在该特定示例中，为开口22A形成的间距具有四个相位，即相位A到D。
另一方面，第二光电二极管2a-2c没有遮光层22。
通过使用第一光电二极管1a至1d进行信号检测并使用第二光电二极管2a至2c进行DC分量补偿，可消除DC分量。即，根据本实施例，安装有具有这种独特结构的光接收器件的光学编码器，可消除DC分量，实现高灵敏度和宽动态范围。将参照编码器的结构描述这一点。
图12所示的示意图表示本实施例编码器的光接收器件的开口22A与标尺33的间距之间的关系。更具体而言，对于每个光电二极管1a至1d，开口22A的间距与标尺33的亮/暗图案相匹配。光接收器件与标尺33之间的相对位移改变分别从光电二极管1a至1d获得的光电流信号。通过检查该信号改变可确定位移量。此外，在本实施例中，对于第二光电二极管2a至2c的光照量不改变，并且即使在标尺33发生任何位移的条件下也总能得到恒定量的光电流信号。可使用该光电流信号来消除从第一光电二极管1a至1d得到的光电流信号中包含的DC(直流)分量。导致高灵敏度和宽动态范围。
将参照比较例描述这一点。
图13所示的示意图表示在实现本发明的过程中本发明者研究的比较例光学编码器中光接收器件的平面图案。
在该比较例中，通常为矩形结构的光电二极管(1c，1d，…)分别纵向(y-方向)延伸，并水平(x-方向)排列。光电二极管通过电触点10依次与四相布线(20a至20d)相连。即，在进行连接时将四个相邻的光电二极管(1a至1d，2a至2d，3a至3d，4a至4a)当作一组对待。
图14所示的示意图表示该比较例中标尺33与光接收器件之间的位置关系。
更具体而言，标尺33的透光图案34和遮光图案35的间距通常与光电二极管阵列(1c，1d，…)的间距相匹配。例如，在该图所示的比较例中，标尺33的一对亮/暗图案34，35与一组光电二极管(1a至1d，2a至2d)相匹配。
发光部件31发出的光透过标尺33，然后在进入光接收部件32之前通过标尺的亮/暗图案34，35产生亮/暗对比度。光的这种亮/暗对比度使得针对光电二极管的各个相位的光电流产生差异。通过电路检测和输出光电流中的这种差异。
图15表示在使用该比较例的光接收器件时获得的光信号波形。
当使用该比较例的光接收器件时，标尺33与光接收器件之间的相对位移导致在与光电二极管相连的每个四相布线(20a至20d)中获得具有图15中所示波形的光电流。可通过检测从各个四相布线(20a至20d)获得的波形随时间的改变，确定标尺33与编码器之间的相对位移的方向和相对位移量。
不过，从该比较例光接收器件获得的光电流的波形，是DC与AC电流分量的组合。此时问题在于光电流具有DC电流分量。如图14中所示，标尺33使入射在光接收器件上的光产生亮/暗对比度。直线光36透过标尺33的透光图案34。不过，折射或衍射或来自环境光的影响使一些额外光37进入遮光图案35下面的那些最好不接收任何光的光电二极管，从而产生DC分量。相邻光电二极管之间光或光载流子的串扰也会产生DC分量。
所产生的DC电流分量可会引起以下问题在电流-电压转换电路中AC电流分量减弱，产生失真的输出波形，导致电路的输出性质(占空比和相位差)下降。为了扩展动态范围以便克服这一问题，必须增大电源电压，从而即使对于高光输入而言AC分量也不会减弱。这样不利于减小电路的电源电压。
此外，发现当减小编码器的尺寸时，DC分量趋于变得显著。这是因为随着尺寸减小光发射部件31与光接收部件32之间的间隔减小，这样就减小了从光发射部件31发射出且入射到光接收部件32上的光的平行度。从而，在减小光学编码器尺寸方面也需要改进。
在这一方面，可使用本实施例的光接收器件明显减少光电流中的DC分量。
图16所示的透视图表示本实施例中实现的DC分量消除效果。
如上所述从编码器获得的光学信号具有DC和AC分量。如附图中虚线所示AC分量可能具有相对较大的幅值，或者如附图中实线所示可能具有相对较小的幅值，这取决于诸如光发射部件与光接收部件之间的位置关系之类的因素。此处，用B表示小幅值(实线)情形中的振幅，用A表示DC分量的电平。当不采用DC消除时，如上述的图15中所示，A与B的比值为例如A∶B＝5∶1的量级。
相反，根据本实施例，可使用第二光电二极管2a至2c的光电流消除DC分量。结果，如图16中所示，DC分量的电平可以减小到A∶B＝2∶1或更小。
将用于这种消除目的的电流I2的电流值设定为低于光电流I1。可使用为第一光电二极管1a至1d提供的开口22A的总面积与第二光电二极管2a至2c的面积的比值来估计光电流的相应数值(DC电流分量)，并在条件I2＜I1下设定后面所述电流镜电路的电流比值。
根据本实施例，减小光电流中的DC分量产生以下效果。
首先，可扩展信号的动态范围。更具体而言，通过消除(减去)光电二极管光电流信号的DC电流分量，即便在光发射部件的光强发生变化时，也能保持光电流的改变较小。结果，可扩展电路的输入动态范围。
此外，可减小电路的电源电压。更具体而言，传统上需要高电源电压来扩展电流-电压转换电路的动态范围。相反，根据本实施例，由于抑制了光发射部件光强的改变引起的光电流改变，因而动态范围得以扩展。从而，不需要高电源电压，并且可减小电路的电源电压。
此外，可增强编码器输出性质(占空比和相位差)的精度。更具体而言，通过减小DC分量，可提取出具有大幅值AC分量的光电流。从而，可更精确地获得与编码器功能(占空比和相位差)有关的输出性质。
此外，易于减小编码器的尺寸。更具体而言，尺寸减小的光学编码器在其光发射部件与光接收部件之间具有小间隔，这减小了入射在光接收部件上的光的平行度。为此，在光接收部件上并未如实地获得标尺的亮/暗图案，这样光衍射引起的DC分量就趋于增大。相反，根据本实施例，由于可明确、容易地减小DC分量，可减小光学编码器的尺寸，以保证高分辨率。
另外，编码器的分辨率由设置在遮光层22中的开口22A的间距决定。有利的是，不需要精细地分割扩散与外延区域。即，可由与金属布线20相同的金属层构成遮光层22。可基于与金属布线相同的精细设计原则(最小尺寸)来形成开口22A。从而，还可以极大地增强编码器的分辨率。
此外，由与金属布线相同的金属层形成遮光层22并将其连接地电势是有利的，因为这还实现了对光电二极管1a至1d的屏蔽效果。
此外，将第二光电二极管2a至2c置于第一光电二极管1a至1d之间。这样做实现的效果是减小相邻第一光电二极管1a至1d之间的串扰引起的噪声。例如，通过在第一光电二极管1a与1b之间设置第二光电二极管2a，可抑制第一光电二极管1a与1b之间由于光电流泄漏所引起的串扰，从而可减小光信号的噪声电平。
图17所示的示意图表示本实施例光学编码器中可使用的电路。
该附图表示在具有图10中所示剖面结构的半导体器件中提供的电路。更具体而言，可在通过在p-型硅基片上形成n-型外延层112而实现的光电二极管周围设置该电路。
该电路包括电流-电压转换部件300a至300d以及DC消除部件200。
第一光电二极管(1a至1d)分别与电流-电压转换部件300a至300d连接。图17表示其中一个电流-电压转换部件300d的结构。更具体而言，在电流-电压转换部件300d中，转换晶体管301和电阻303将流过第一光电二极管1d的光电流转换成电压进行输出。尽管图中未示出，不过其他电流-电压转换部件300a至300c具有相同结构。
另一方面，第二光电二极管2a至2d与DC消除部件200相连。此处，可将第二光电二极管2a至2d中的不止一个并联连接，或者可以仅连接第二光电二极管2a至2d中的一个。第二光电二极管的阳极接地(Gnd)。阴极与电流镜电路的参考PNP晶体管201的基极和集电极连接。连接PNP晶体管(202至205)，以便对来自参考PNP晶体管201的电流进行镜像(mirror)。PNP晶体管(202至205)的集电极通过布线20d与电流-电压转换部件300d连接，而布线20d引向第一光电二极管1d至nd的阴极。
尽管图中未示出，同样，PNP晶体管202，203和204的集电极分别与电流-电压转换部件300a，300b和300c中的第一光电二极管1a，1b和1c的阴极连接。
根据这种电路结构，电流-电压转换电路300d的输入电流为(I1-I2)。即，可消除(减去)与I2相当的电流。换言之，基于流过第二光电二极管2a(至2d)的光电流产生电流I2，可使用该电流补偿从第一光电二极管得到的信号的DC分量。
如果可任意设定电流镜比值，则可将消除DC电流分量所需的电流I2设定为DC消除的最佳量(电流值)。结果，可将从电流-电压转换部件300得到的输出信号中的DC分量的大小减小到接近于零。如果电流-电压转换电路的输出电压具有宽动态范围，则也可以为不满足I2＜I1的设置值。
图18所示的示意图表示本发明可使用的电路的另一特定示例。更具体而言，该附图表示在如图11中所示通过在n-型外延层的表面中形成p-型扩散层而实现的光电二极管周围可设置的电路。
该特定示例的电路也包括电流-电压转换部件300a至300d以及DC消除部件200。第二光电二极管2a至2d的阴极连接Vcc。阳极与电流镜电路的参考NPN晶体管211的基极和集电极相连。此处，可与第二光电二极管2a至2d中的不止一个共同地并联连接，或者可以仅连接它们中的一个。
连接NPN晶体管(212至215)，以便对来自参考NPN晶体管211的电流进行镜像。NPN晶体管215的集电极与第一光电二极管1d的阳极相连。
根据这种电路结构，电流-电压转换电路300d的输入电流为(I1-I2)。即，可消除(减去)与I2相当的电流。
下面，将描述本实施例的光学编码器中可使用的光接收器件的另一特定示例。
图19所示的平面透视图表示本实施例中可使用的光接收器件的第二特定示例。
图20所示的平面图表示去除遮光层的该特定示例的光接收器件。
对于这些附图，用相同数字标记与参照图1到18所述的元件相同的元件，并不再进行详细描述。
在该特定示例中，通常为条形结构、沿x-方向(图19中水平方向)延伸的第一光电二极管1a至1d及第二光电二极管2a至2d通常也是交替地平行并置。不过，在该特定示例中，第一光电二极管1a至1d通过设置在它们中间的绝缘区域30被水平地分成两个部分。绝缘区域30可以为嵌入绝缘体或者高阻层，或者为通过蚀刻掉表面半导体层而形成的沟槽。
在该特定示例中，处于绝缘区域30左侧的开口22A的相位与处于右侧的不同。例如，对于第一光电二极管1a，与“相位A”相应的开口22A设置在绝缘区域30的左侧，而与“相位C”相应的开口22A设置在右侧。如上参考图12所述，用通过标尺33的亮/暗图案照射时，在针对第一光电二极管1a的左开口22A部分以及针对第一光电二极管1c的右开口22A部分中同时产生针对“相位A”的光电流。即，在图19中垂直方向(沿y-方向)不同的光电二极管中同时产生光信号。特别是，使用光电二极管1a的左侧部分与光电二极管1c的右侧部分检测“相位A”，使用光电二极管1b的左侧部分与光电二极管1d的右侧部分检测“相位B”，使用光电二极管1c的左侧部分与光电二极管1a的右侧部分检测“相位C”，使用光电二极管1d的左侧部分与光电二极管1b的右侧部分检测“相位D”。
由此，即便光照沿y-方向具有任何不均匀性时，也能得到均匀的光电流信号。更特别地，如图1中所示，在将“相位A”指定给光电二极管1a，将“相位B”指定给光电二极管1b，等等的相位分配条件下，当沿y-方向光照不均匀时，光电流输出在相位之间是不同的。
相反，根据该特定示例，由沿y-方向分布的与“相位A”，“相位B”等等相应的光接收部件得到对沿y-方向的任何不均匀性求平均的光电流输出。
此外，根据本实施例，如上面参照图1到18所述，可使用第二光电二极管2a至2d的输出消除DC分量。结果，可提供具有高灵敏度、高动态范围和高分辨率的尺寸减小的光学编码器。
应当注意，尽管图19和20表示在第一光电二极管的中心区域设置绝缘区域30的特定示例，不过本发明不限于此。更特别地，可为沿x-方向延伸的每个第一光电二极管1a至1d设置多个绝缘区域30，以便将每个光电二极管分成三个或更多部分。
图21所示的平面透视图表示本实施例中可使用的光接收器件的第三特定示例。
图22所示的平面图表示去除遮光层的该特定示例的光接收器件。
对于这些附图，也用相同的数字标记与参照图1到20所述的元件相同的元件，并不再进行详细描述。
在该特定示例中，提供条形结构、沿x-方向延伸的8个光电二极管1a至1h作为第一光电二极管。在这些第一光电二极管之间设置第二光电二极管2a至2g。如上面参照第二特定示例所描述的，第一光电二极管1a至1h通过设置在它们中间的绝缘区域30分成两部分。如同第二特定示例，处于绝缘区域30左侧的开口22A的相位与右侧的不同。
例如，通过光电二极管1a的左侧，光电二极管1c的右侧，光电二极管1e的左侧和光电二极管1g的右侧检测“相位A”。由此，同时检测光的各部分沿y-方向和x-方向分布。结果，将光的二维不均匀性平均，从而可得到更均匀的光电流信号。
此外，根据该特定示例，如上面参照图1到18所示，可使用第二光电二极管2a至2g的输出消除DC分量。结果，可提供具有高灵敏度、高动态范围和高分辨率的尺寸减小的光学编码器。
图23所示的平面透视图表示本实施例中可使用的光接收器件的第四特定示例。对于这一方面，也用相同数字标记与参照图1到22所述的元件相同的元件，并且不再进行详细描述。
该特定示例确保大面积的电极与第一光电二极管1a至1d接触。更具体而言，为第一光电二极管1a至1d中的每一个形成沿x-方向延伸的电触点10。对于光电二极管1a至1d而言，与这些电触点10连接的金属布线20交替地沿左右方向抽出。例如，用于光电二极管1a的金属布线20向左抽出，用于光电二极管1b的金属布线20向右抽出(draw out)。
沿光电二极管1a至1d的纵向形成条形结构的电触点10。结果，可沿光电二极管1a至1d的纵向均匀地提取出光电流。因此可在沿光电二极管纵向延伸的电触点10中提取出光电二极管中产生的光电流。即，可提取出条形光电二极管1a至1d的中心区域和端部两者中产生的具有均匀信号强度的光电流，同时抑制光电二极管本身的电阻部件引起的任何损耗。
此外，在该特定示例中，沿光电二极管1a至1d的纵向形成的电触点10用作遮光层。从而，优选地，将电触点10和开口22A形成为，使得开口22A中除被电触点10遮蔽的部分之外的面积是恒定的。这样就使每个开口22A中的光接收面积相等，导致均匀的光输出。这也是后面详细描述的图26，27和28中所示结构的情形。
图24和25所示的示意图表示该特定示例的光电二极管的剖面结构。即，这些附图是沿图23中线A-A作出的剖面图。
在图24所示的结构中，在p-型基片113上经由n+-型阻挡层114A，形成n-型外延层114B，以形成p-n结光电二极管。由p-型区域111分隔n-型外延层114B的外围。
在图25所示的结构中，在p-型基片113上经由n+-型阻挡层114A形成n-型外延层114B。在n-型外延层114B的表面中形成平面结构的p-型扩散区域115，以形成p-n结光电二极管。通过p-型区域111分隔其周围。
在该特定示例中，形成沿第一光电二极管1a至1d的纵向延伸的电触点10。结果，可沿每个光电二极管的纵向均匀地提取出光电流。根据该特定示例，如上面参照图1到18所述，可使用第二光电二极管2a至2c的输出消除DC分量。结果，可提供具有高灵敏度、高动态范围和高分辨率的尺寸减小的光学编码器。
图26所示的平面透视图表示本实施例中可使用的光接收器件的第五特定示例。对于该附图而言，用相同数字标记与参照图1到25所述的元件相同的元件，并不再进行详细描述。
在该特定示例中，第一光电二极管1a至1d中的每一个通过绝缘区域30分成两部分。如同第四特定示例，在每个分离部分上形成沿x-方向延伸的电触点10。
光电二极管1a至1d中的每一个通过绝缘区域30分隔，并且在其左侧与右侧之间光接收部件的相位发生偏移。从而，如上面参照第二和第三特定示例所述，可对光在y-方向以及x-方向的任何不均匀性求平均。根据该特定示例，如上面参照图1到18所述，可使用第二光电二极管2a至2c的输出来消除DC分量。结果，可提供具有高灵敏度、高动态范围和高分辨率的尺寸减小的光学编码器。
此外，在该特定示例中，沿光电二极管1a至1d的纵向形成的电触点10也用作遮光层。从而，优选地，将电触点10和开口22A形成为，使开口22A中除被电触点10遮蔽的部分之外的面积是恒定的。这就使每个开口22A中的光接收面积相等，导致均匀的光输出。
在上述的第二和第三特定示例以及该特定示例中，成条形结构延伸的第一光电二极管通过设置在它们中间的绝缘区域30分成两部分。此处，优选地，使用绝缘区域30来调节开口22A之间的间隔。
更特别地，当如图27中所示没有设置绝缘区域30时，可根据标尺33的透光图案34和遮光图案35的间距来形成开口22A。在图27的特定示例中，对于每个光电二极管1a至1d而言，开口22A的间距与标尺33的亮/暗图案的间距相匹配。即，标尺33的透光图案部分34的宽度W1和遮光图案部分35的宽度W2分别为开口22A宽度的两倍。
相反，当设置绝缘区域30时，优选取决于所述宽度缩小开口22A的宽度。
图28所示的示意图表示设置绝缘区域30的情况下开口22A的宽度。
绝缘区域30为检测不到光的死区。简单地将这种死区插入图27所示的图案中，导致开口22A的间距发生一定偏移。此外，插入绝缘区域30但不改变图案，仅仅缩小周围开口22A，导致发生光电流信号局部减小的问题。
相反，在图28所示的结构中，用Wpd表示绝缘区域30在x-方向的宽度，与不设置绝缘区域30的情形(图27)相比，形成宽度缩小Wpd的每个开口22A。即，沿x-方向开口22A阵列的间距保持不变，同时缩小每个开口22A的宽度。在相邻开口22A之间的间隙中形成绝缘区域30。由此，从第一光电二极管1a至1d的任意部分得到相同大小的光电流信号。
此外，在此情形中，相邻开口22A在x-方向是不相邻的，而是隔开Wpd。例如，设置在光电二极管1a左部的开口22A1与设置在第一光电二极管1b左部的开口22A2沿x-方向隔开Wpd。由此，相邻开口之间提供的间隔消除了透过标尺33的光的漫反射、折射和衍射引起的光的不均匀性，并便于针对每个相位仅提取出具有90度相位差的信号。即，可减小光散射引起的噪声。
参照特定示例描述了本发明。不过，本发明不限于这些特定示例。
例如，图1和19表示用于光信号检测的第一光电二极管与用于DC分量消除的第二光电二极管交替设置的特定示例。不过，本发明不限于此。即，不必在所有相邻的第一光电二极管对之间都设置用于DC检测的第二光电二极管。
图29所示的示意透视图表示本发明中可使用的光接收器件的另一特定示例。更具体而言，在该特定示例中，设置沿x-方向延伸的四个第一光电二极管1a至1d，并且在它们的中间设置一个第二光电二极管2a。通过仅仅从一个第二光电二极管2a得到的光电流，可消除相对较小的DC分量。通过减小第二光电二极管占有的面积并将第一光电二极管1a至1d占有的面积增大该数量，可增大光信号的大小。这样，有利于减小噪声和提高灵敏度。
图30所示的示意透视图表示本发明中可使用的光接收器件的另一特定示例。更具体而言，在该特定示例中，相邻地设置第一光电二极管1a至1d，并且在它们的上面和下面设置第二光电二极管2a和2b。这样也能去除DC分量。通过增大第一光电二极管1a至1d占有的面积，可增大光信号的大小。这样有利于减小噪声和提高灵敏度。
除图29和30之外，针对第二光电二极管的数量和排列可想到多种特定示例，这些示例只要包括本发明的特征，那么也包含在本发明范围内。
本领域技术人员对上述光发射部件、光接收部件、半导体基片、半导体层、电极和电路元件的材料、导电类型、载流子浓度、杂质、厚度、位置关系和图案结构作出的任何适当变型，只要包括本发明的特征，那么也包含在本发明的范围之内。
本领域技术人员在已知结构中适当选择的上述光学编码器的任何其他结构，只要包括本发明的特征，那么也包含在本发明范围之内。
虽然用实施例的方式披露了本发明以便于更好地理解本发明，不过应当想到，可通过不偏离本发明原理的多种方法实施本发明。从而，应当理解本发明包括在不偏离所附权利要求所述的本发明原理的条件下可实施的所示实施例的所有可能实施方式和变型。
权利要求
1.一种用于光学编码器的光接收器件，包括多个第一光电二极管，其沿第一方向并置且沿通常垂直于所述第一方向的第二方向延伸；和设置在所述多个第一光电二极管上的遮光层，所述遮光层设有开口，使得当具有透光图案和遮光图案的标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光相继照射所述多个第一光电二极管中的至少一个和至少另一个。
2.根据权利要求1所述的用于光学编码器的光接收器件，其中将所述开口设置成，当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光相继照射所述多个第一光电二极管中的至少一个和相邻一个。
3.根据权利要求1所述的用于光学编码器的光接收器件，其中在沿所述第二方向上，设置在所述多个第一光电二极管其中之一上的第一开口与最靠近所述第一开口的第二开口之间的间隔基本为零。
4.根据权利要求1所述的用于光学编码器的光接收器件，其中所述多个第一光电二极管中的每一个通过沿所述第二方向设置在中心区域的绝缘区域被分成第一部分和第二部分。
5.根据权利要求4所述的用于光学编码器的光接收器件，其中将所述开口设置为，使得当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光不同时照射所述多个第一光电二极管中的每一个的所述第一部分和所述第二部分。
6.根据权利要求4所述的用于光学编码器的光接收器件，其中将所述开口设置为，当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光同时照射所述多个第一光电二极管中至少两个的所述第一部分。
7.根据权利要求4所述的用于光学编码器的光接收器件，其中沿所述第二方向，所述多个第一光电二极管中的一个上设置的第一开口与最靠近所述第一开口的第二开口之间的间隔通常等于该绝缘区域沿所述第二方向的宽度。
8.根据权利要求1所述的用于光学编码器的光接收器件，还包括沿所述第二方向延伸的一个或多个第二光电二极管，且所述第二光电二极管具有一个部分，其中当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光照射到所述部分的面积通常是恒定的。
9.根据权利要求8所述的用于光学编码器的光接收器件，其中所述第二光电二极管设置在所述多个第一光电二极管中的至少两个之间。
10.一种光学编码器，包括光发射部件；和与所述光发射部件相对设置的光接收部件，该光接收部分具有光接收器件，所述光接收器件包括多个第一光电二极管，其沿第一方向并置且沿通常垂直于所述第一方向的第二方向延伸；和设置在所述多个第一光电二极管上的遮光层，所述遮光层设有开口，使得当具有透光图案和遮光图案的标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光相继照射所述多个第一光电二极管中的至少一个和至少另一个。
11.根据权利要求10所述的光学编码器，其中将所述开口设置成，当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光相继照射所述多个第一光电二极管中的至少一个和相邻一个。
12.根据权利要求10所述的光学编码器，其中在沿所述第二方向上，设置在所述多个第一光电二极管其中之一上的第一开口与最靠近所述第一开口的第二开口之间的间隔基本为零。
13.根据权利要求10所述的光学编码器，其中所述多个第一光电二极管中的每一个通过沿所述第二方向设置在中心区域的绝缘区域分成第一部分和第二部分。
14.根据权利要求13所述的光学编码器，其中将所述开口设置为，使得当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光不同时照射所述多个第一光电二极管中每一个的所述第一部分和所述第二部分。
15.根据权利要求13所述的光学编码器，其中将所述开口设置为，当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光同时照射所述多个第一光电二极管中至少两个的所述第一部分。
16.根据权利要求13所述的光学编码器，其中在沿所述第二方向上，所述多个第一光电二极管其中之一上设置的第一开口与最靠近所述第一开口的第二开口之间的间隔通常等于该绝缘区域沿所述第二方向的宽度。
17.根据权利要求10所述的光学编码器，还包括沿所述第二方向延伸的一个或多个第二光电二极管，且所述第二光电二极管具有一个部分，其中当所述标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光照射所述部分的面积通常是恒定的。
18.根据权利要求17所述的光学编码器，其中所述第二光电二极管设置在所述多个第一光电二极管中的至少两个之间。
19.根据权利要求17所述的光学编码器，还包括计算电路，基于所述多个第一光电二极管提供的信号以及所述一个或多个第二光电二极管提供的信号进行计算。
20.根据权利要求19所述的光学编码器，其中所述计算电路从所述第一光电二极管提供的信号中减去乘以恒定系数的所述一个或多个第二光电二极管提供的信号。
全文摘要
一种用于光学编码器的光接收器件，包括多个第一光电二极管，其沿第一方向并置且沿通常垂直于第一方向的第二方向延伸；和设置在所述多个第一光电二极管上的遮光层，所述遮光层设有开口，使得当具有透光图案和遮光图案的标尺沿所述第二方向移动时，透过所述透光图案的光相继照射所述多个第一光电二极管中的至少一个和至少另一个。
文档编号G01D5/34GK1773222SQ200510125420
公开日2006年5月17日 申请日期2005年11月14日 优先权日2004年11月12日
发明者田中明广 申请人:株式会社东芝