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(photoelectric 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(light source)、包含光学格子(optical grating)的标尺(scale)、以及可与光源一起相对标尺相对移动地(relatively movable)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(light detecting surface)配置的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(illuminating)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(light-and-shade pattern))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(photoelectric conversion)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，根据先检测的是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相或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，有时在光量上产生偏差。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，有如下类型的编码器，即，通过将光接收元件很小地分割并阵列(array)状地排列，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(measurement axis)方向，将多个组阵列状地配置的第2类型的编码器。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，可以减小光量偏差的影响(以下，将其称为‘平均效应(averagingeffect)’)。
第2类型的编码器中具有的光接收元件在测定轴方向以相等的间隔配置。相反，被公开在特表2004-501356号公报(图4)中的第3类型的编码器中具有的光接收元件各自以相等的间隔配置在测定轴方向及与其正交的方向。
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型半导体层形成结的结构。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，如果面积或周围的长度增大，则结电容增加，如果面积或周围的长度变�。蚪岬缛菁跣 �
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，如果要提高平均效应，则构成光接收部的多个光接收元件的结电容的合计增加，相反，如果降低该合计，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间距化时，于此相对，光接收元件也必须窄间距化。因此，必须配置多个减小了光接收面的宽度的光接收元件。为了利用光电变换得到测定所必需的强度的电信号，合计的光接收面的面积必须达到一定量。因此，当光接收元件窄间距化时，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的合计也增大，随之，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间距化时，不能忽视编码器的应答速率低下的问题。
发明内容
本发明是鉴于这种问题的发明，其目的在于提供一种光电式编码器，其在提高平均效应及减小多个光接收元件的合计的结电容这两方面都可兼顾。
本发明的光电式编码器包括光源；标尺，其包括被来自所述光源的光照射的光学格子；多个光接收元件，其相对所述标尺配置为可沿测定轴方向相对移动，分别具有入射基于照射在所述光学格子的光所生成的光信号的光接收面，并检测相位不同的多个光信号；所述多个光接收元件配置为矩阵状，在矩阵端部配置的光接收元件的尺寸比在所述矩阵的中央部配置的光接收元件的尺寸小。
根据本发明的光电式编码器，通过在阵列的端部使光接收元件的尺寸较�。稍谡罅械亩瞬坎嗵岣呦喽杂谝怨庠吹墓馇慷确植嘉虻墓馇慷鹊谋浠钠骄в�。另一方面，在阵列的中央部，由于光接收元件的尺寸较大，故可抑制光接收元件数量的增加。由此，可防止合计的多个光接收元件的结电容增大。
在本发明的光电式编码器中，也可以是所述多个光接收元件沿所述测定轴配置，就所述光接收面的所述测定轴方向的尺寸而言，在所述阵列的端部配置的光接收元件比在所述阵列的中央部配置的光接收元件的小。
由此，在沿测定轴配置的多个光接收元件中，可使阵列的端部上配置的光接收元件的测定轴方向的尺寸较小。由此，在测定轴方向的阵列的端部侧可将光接收元件的尺寸进一步减�。裕山喽杂诠庠吹墓馇慷确植嘉虻墓馇慷鹊谋浠钠骄вυ诙瞬坎嘟徊教岣�。另外，可使在阵列的中央部配置的光接收元件的测定轴方向的尺寸较大。因此，不需要为了确保光接收面的面积的合计值为必要的量而增加光接收元件的数量，故可抑制多个光接收元件合计的结电容的增加。
在本发明的光电式编码器中，可包括具有所述多个光接收元件的光接收芯片，使该光接收芯片还包括具有部分地覆盖所述光接收面的遮光部的标定格子。
由此，即使在阵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个光信号中被分配的相位的光信号。
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，并和光接收面接触；光接收元件的布线，其和遮光部连接。
由此，通过使标定格子的遮光部兼作与光接收元件连接的布线，可防止光接收面的有效光接收面积减小。
在本发明的光电式编码器中，可使所述多个光接收元件沿和所述测定轴正交的方向配置，就所述光接收面和所述测定轴正交的方向的尺寸而言，在所述阵列的端部配置的光接收元件的比在所述阵列的中央部配置的光接收元件的小。
由此，关于沿和测定轴方向正交的方向配置的多个光接收元件，根据与沿所述测定轴方向配置的多个光接收元件时相同的理由，可使阵列端部侧的相对于光强度的变化的平均效应进一步提高，同时，可抑制多个光接收元件合计的结电容的增加。
在本发明的光电式编码器中，可利用所述多个光接收元件构成每组的光接收元件的尺寸不同的多个组，构成各组的光接收元件具有以相同的间隔连续地配置且检测相位不同的多个光信号的光接收元件。
由此，可配置光接收元件，使组内的光接收元件的尺寸一定，得到组内的平衡，同时，阵列的端部比中央部的间隔小。
在本发明的光电式编码器中，在所述多个组中，在位于配置在所述阵列端部的组与配置在所述阵列中央部的组之间的所述阵列的中间部配置的组中，光接收元件的尺寸比所述阵列端部的组的所述尺寸大，且比所述阵列中央部的组的所述尺寸小。
由此，可根据光源的光强度分布为原因的光强度变化量，改变光接收元件的尺寸。由此，可不增加光接收元件的数量，在各端部组、中央部组、中间部组中，得到对光强度变化的充分的平均效应。
在本发明的光电式编码器中，可各自设定所述多个组的尺寸，使所述阵列的面上的光强度分布为原因的光强度变化量在各组上一定。
由此，可使相对于阵列面上的光强度分布为原因的光强度的变化量的平均效应在各组中相同。
以上是本发明的光电式编码器的一种方式，除此之外还有如下的方式。即，本发明的光电式编码器的另一方式包括光源；标尺，其包括被来自所述光源的光照射的光学格子；光接收芯片，其介由所述光学格子照射来自所述光源的光，同时，可相对所述标尺在所述测定轴方向相对移动；多个光接收元件，其沿所述光接收芯片上的测定轴方向及垂直于测定轴方向的方向配置为阵列状；多个标定格子，其被配置在所述多个光接收元件各自的前面；所述多个标定格子相互沿测定轴方向以规定偏移量配置，通过所述相对移动，自所述多个光接收元件输出相位不同的多个光信号。
根据本发明的光电式编码器的另一方式，由于多个光接收元件沿测定轴方向及垂直于测定轴方向的方向以阵列状配置，故可提高平均效应。另外，通过在各所述光接收元件前面配置标定格子，防止了多个光接收元件的合计结电容的增大。
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的光学格子侧观察的光接收芯片整体的平面图；图3是仅示意地表示图2中的光电二极管的图；图4是从IV(a)-IV(b)剖面观察图2所示的光接收芯片的示意图；图5是显示笫1实施方式的标定格子的变形例的图；图6是显示在光接收芯片上形成的PD阵列的各位置的光强度的强度的曲线图；图7是示意地显示在第2实施方式的光电式编码器的光接收芯片上形成的PD阵列的中央部中，一个光接收面和标定格子的配置关系的平面图；图8是从VIII(a)-VIII(b)剖面观察图7所示结构的示意图；
图9是示意地表示从光学格子侧观察的第3实施方式的光接收芯片的光电二极管阵列的平面图；图10是第3实施方式的光接收芯片一部分的平面图；图11是示意地表示第4实施方式的光接收芯片的光电二极管阵列的平面图；图12是与第5实施方式比较的光接收芯片一部分的平面图；图13是第5实施方式的光接收芯片一部分的平面图；图14是第5实施方式的标定格子的一例的平面图；图15是第5实施方式的标定格子的另一例的平面图。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的光电式编码器的第1～第5实施方式。另外，在说明第2～第5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，赋予同一标号来省略说明。
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(photodetector chip)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、与沿与其接近的顺序配置的标尺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包括由玻璃等透明材料构成的长形的透明衬底9。在图1中，表示其一部分。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。光学格子11含有设置有以规定的间隔(pitch)线性配置的多个遮光部(shade portion)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(gap)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(phototransistor)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，利用光学格子11在光接收芯片15上产生明暗图形L1。该明暗图形L1被照射到光接收芯片15上。在这种状态下，由光接收芯片15中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L1的变化(正弦波的光信号)。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接收在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上。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。图2是示意地表示从光学格子侧观察的光接收芯片15整体的平面图。图3是仅示意地表示图2中的光电二极管23的图；图4是从IV(a)-IV(b)剖面观察图2所示的光接收芯片15的示意图；如图4所示，光接收芯片15具有n型半导体衬底37。在该衬底37的一个面中，间隔形成p型的扩散区域39。半导体衬底37和扩散区域39的接合部形成PD23。多个PD23被以阵列状配置在半导体衬底37上。
在半导体衬底37的一个面中，形成有p型扩散区域39的区域作为光接收面25。另外，为了可靠地将p型扩散区域39相互之间分离(即，各光电二极管23的元件分离)，也可以在扩散区域39相互之间的半导体衬底37上形成n+型扩散区域。半导体衬底37的一个面被硅氧化膜那样的绝缘膜41覆盖，以覆盖扩散区域39。
当平面地看多个PD23时，如图2及图3所示，在和光学格子相互面向的xy面上沿测定轴X以阵列状配置有多个PD23。另外，x轴和图1说明的测定轴X的朝向一致。
将接收A相光信号的PD23、接收B相光信号的PD23、接收AA相光信号的PD23、接收BB相光信号的PD23形成一个组27。沿测定轴X方向，在阵列的中央部29上配置多个组27。在阵列的中央部29两侧的阵列的端部31上各自配置有一个组27。构成在阵列端部31上配置的组27的PD23的间隔P1比构成在阵列中央部29上配置的组27的PD23的间隔P2小。另一方面，在各组27内以相同的间隔连续地配置PD23。由此，得到各组27内的PD23的平衡。
在各光接收面25上入射基于照射到光学格子上的光生成的对应的光信号(A相、B相、AA相、BB相)。换句话说，在将图1所示的明暗图形L1照射到光接收芯片15的状态下，将通过移动支架21生成的相位不同的多个光信号中分配的相位的光信号入射到各光接收面25上。光接收面25的形状在y方向上是纵向方向的矩形。光接收面25的测定轴X方向的尺寸(即、光接收面25的宽度)在中央部29和端部31不同。即，在阵列端部31上配置的PD23的光接收面25的宽度W1比阵列中央部29的相应的各宽度W2小。
其次，通过图2及图4说明标定格子33。光接收芯片15具有形成在绝缘膜41上的标定格子33，以覆盖各光接收面25。标定格子33具有向间隔配置在各光接收面25上的y方向延伸的多个遮光部35。遮光部35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。
在光接收面25上相邻的遮光部35之间形成透光部(light transmittedportion)40。由此，可以说标定格子33具有部分地覆盖光接收面25的遮光部35。至少组装两个以上遮光部35，通过将它们配置在一个光接收面上，构成一个标定格子33。
在各光接收面25上，透光部40位于和分配的相位的光信号对应的位置，遮光部35位于其以外的位置。具体地说明如下，例如，在接收BB相光信号的PD23BB中，透光部40位于和BB相光信号对应的位置。由此，PD23BB不接收A相、B相及AA相的光信号。PD23的宽度在中央部29和端部31不同，但可通过使遮光部35的间隔相等来防止光信号相位的偏移。
如图4所示，形成硅氧化膜或硅氮化膜那样的保护膜43，以覆盖标定格子33。在半导体衬底37的另一面整个面上形成有各PD23的共通电极(例如Au电极)45。
以下通过图5说明标定格子33的变形例。图5是光接收芯片15的剖面的示意图，和图4对应。相邻的光接收面25之间由遮光部35覆盖。由相邻的光接收面25之间入射到半导体衬底37的光有时会成为形成干扰的原因。根据该变形例，可防止光自相邻的光接收面25之间入射到半导体衬底37上。
第一实施方式的光电式编码器1具有如下主要效果。
(1)根据第1实施方式，可防止构成光接收芯片15的多个PD23的合计结电容增大，同时在阵列端部31侧，可提高相对于光源的光强度分布为原因的光强度变化的平均效应。以下详细地说明。图6是显示光接收芯片上形成的PD阵列的各位置的光强度的强度的曲线图。发光二极管3这样的光源通过控制光源尺寸等具有图6所示的光强度分布。由该分布可知，与阵列的中央部相比，在阵列端部光的强度�。夜馇慷鹊谋浠�(曲线斜率)增大。因此，当PD的间隔较大时，在阵列的端部，由各PD产生的光电流的直流分量之差增大。也就是说，A相光信号、B相光信号、AA相光信号、BB相光信号的直流分量的值相互不同，且差值大。这成为光电式编码器高精度测定的障碍。
若采用PD的间隔较小的光接收芯片，可消除所述问题。但是，在规定大小的区域以阵列状配置多个PD来制造光接收芯片时，当使PD的间隔较小时，PD的数量就会相应增加，构成光接收芯片的多个PD的合计结电容就会增大。
本发明的发明者正是着眼于以光源的光强度分布为原因的光强度的变化量(曲线倾度)与阵列的中央部相比，阵列的端部大这一点。即，如图3所示，在第1实施方式中，通过使在阵列端部31配置的PD23的间隔较�。谡罅卸瞬�31侧提高了相对于光强度变化的平均效应。而通过使在阵列中央部29配置的PD23的间隔较�。谡罅卸瞬�31侧提高相对于光强度变化的平均效应。另一方面，通过使在阵列中央部29上配置的PD23的间隔较大，抑制PD数量的增加，由此，可防止构成光接收芯片的多个PD23的合计结电容的增大。
(2)根据第1实施方式，如图3所示，在阵列端部31上配置的PD23的光接收面的宽度W1比在中央部29上配置的PD23的相应的宽度W2小。由此，可使端部31侧的PD23的间隔进一步减小，故可进一步提高端部31侧的相对于光强度变化的平均效应。另一方面，以宽度W1比宽度W2小的量，在中央部29上配置的PD23的光接收面的宽度W2形成地较大。因此，不需要为了确保光接收面25的面积的合计值为必要的量而增加PD23的数量，故可抑制多个PD23的合计结电容的增加。
(3)在第1实施方式中，如(2)说明的那样，在阵列的中央部29和端部31上，光接收面25的宽度不同。通过将图2所示的标定格子33配置到光接收面25上，各PD23可接收相位不同的多个光信号中分配的相位的光信号。
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7是示意地显示在第2实施方式的光电式编码器的光接收芯片15上形成的PD阵列的中央部29中，一个光接收面和标定格子33的配置关系的平面图。图8是从VIII(a)-VIII(b)剖面观察图7所示结构的平面图。
在第2实施方式中，标定格子33的遮光部35作为连接在光电二极管23上的布线的一部分。以下详细地说明。遮光部35是铝那样的导电性金属。在光接收面25上配置的四个遮光部35和布线47位于相同的层。它们被同时制图(patterning)形成。在遮光部35中中央的两个遮光部35-1和布线47连接被制图形成。
在遮光部35-1和光接收面25之间的绝缘膜41上形成有接触孔(contacthole)49。在接触孔49上形成有由导电塞(例如铝)构成的接触部51。接触部51在遮光部35-1下面与其连接，同时和光接收面25接触(contact)。因此，布线47通过遮光部35-1及接触部51被连接在光电二极管23上。另外，在该实施方式中，以导电塞形成接触部51，但也可以在绝缘层41上形成作为遮光部35-1的膜时，在接触孔49内装入该膜，将其作为接触部。
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。当布线47和光电二极管23的连接未使用遮光部35-1时，为了该连接，必须在和遮光部35相同的层的光接收面25上形成新的导电膜。该导电膜减少光接收面25的有效光接收面积。相反，在第2实施方式中，布线47和光电二极管23的连接使用了导电性遮光部35-1。因此，可防止光接收面25的有效光接收面积减小。
另外，当不利用所述遮光部35-1时，在图8的剖面上不存在接触部51。因此，形成具有由遮光部35-1和p型扩散区域39夹持绝缘膜41的结构的寄生电容。这是降低编码器应答速度的原因。与此相对，在第2实施方式中，遮光部35-1和p型扩散区域39通过接触部51连接，故不产生所述的寄生电容。
第3实施方式对第3实施方式以与第1实施方式的差异为中心来说明。图9是示意地表示从光学格子侧观察的第3实施方式的光接收芯片15的光电二极管阵列的平面图。在该图中，省略了标定格子的图示。图10是第3实施方式的光接收芯片15的局部平面图。在该图中显示了光接收面25和标定格子的透光部40的位置关系。在光接收元件前面配置的格子称为标定格子。
如图9所示，多个PD23的光接收面25二维(two dimensions)地配置在和光学格子相互面向的xy面上。换句话说，多个PD23被以阵列状配置。也可以说是将多个PD23沿光接收芯片15上的x方向(即测定轴方向)及y方向(即垂直测定轴方向的方向)以阵列状配置。在入射A相、B相、AA相、BB相的光信号的光接收面25上各自记载有“A”、“B”、“AA”、“BB”。这是为了显示在哪个光接收面入射那种相位的光信号，在实际的光接收面25上没有这些记载。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。
如图10所示，在y方向排列有不同相位用的光接收面25。通过偏移透光部40的相位，各PD23可接收对应的相位的光信号。这样，在各光接收面25上，透光部40位于和分配的相位的光信号对应的位置，标定格子的遮光部位于其以外的位置。即，在各PD23的前面配置有标定格子。这些标定格子相互沿测定轴X方向以规定的偏移量配置，通过使支架21沿测定轴X移动，自多个PD23输出相位不同的多个光信号。在各光接收面25上配置的透光部40的数量是一个，但也可以是多个。
如图9所示，在和测定轴X正交的方向即y方向，在阵列的端部53配置的PD23的间隔P1比在中央部55配置的PD23的间隔P2小。由此，(1)在y方向的阵列端部52上，可提高相对于光强度变化的平均效应，(2)在阵列中央部55上，由于PD23的间隔较大，故可抑制PD23的数量增加，防止多个PD23的合计结电容的增大。
和阵列端部53上配置的PD23的光接收面25的测定轴X正交的方向(即、垂直于测定轴X方向的y方向)的尺寸S1比在中央部55上配置的PD23的相应尺寸S2更小。因此，根据和第1实施方式说明的沿测定轴X方向配置的多个PD23时相同的理由，对沿y方向配置的多个PD23，可进一步提高端部侧53的相对于光强度变化的平均效应，同时，可抑制多个PD23的合计结电容的增加。
另外，A相用、B相用、AA相用、BB相用的光接收面25各自相对于测定轴X倾斜地配置。在测定轴C的倾斜方向周期地配置A相用、B相用、AA相用、BB相用的光接收面25。这样，接收相同相位的光信号的PD23相对于测定轴X被倾斜地配置，同时，接收不同相位的光信号的PD23被周期地配置在测定轴X的倾斜方向。由此，可均等地配置各相位用PD23，故可提高平均效应。均等地配置各相位用PD23通过不规则地配置各相位用PD23也可以实现。但是，与这样的配置相比，根据第3实施方式，可简单地实现PD23配置的均等化。
第4实施方式第4实施方式以和第1实施方式的差异为中心说明。图11是示意地表示第4实施方式的光接收芯片15的光电二极管阵列的平面图，其和图3对应。
在位于阵列的中央部29和端部31之间的阵列的中间部57的组27中，PD23的间隔P3比间隔P1大，比间隔P2小。同样，PD23的宽度W3比宽度W1大，比宽度W2小。
以下说明第4实施方式的主要效果。
(1)图11的光接收芯片15的下面的曲线显示光接收芯片15的阵列的各位置的光强度，其与图6对应。阵列的中间部57与阵列的端部31相比，光强度的变化量(曲线斜率)小。因此，中间部57即使不如端部31的PD23的间隔密，也可以得到充分的平均效应。另一方面，阵列中间部57的光强度的变化量比阵列中央部29的光强度的变化量大。由此，当使中间部57的PD23的间隔与中央部28的PD23的间隔匹配时，不能得到充分的平均效应。
因此，在第4实施方式中，根据光强度变化量，改变PD23的间隔。由此，不增加PD23的数量，在各中央部29的组27、中间部57的组27、端部31的组27中，就可得到相对于阵列29、31、57的面上的光强度分布为原因的光强度的变化的充分的平均效应。另外，该光强度分布例如因光源而产生。
再有，图11的曲线(光强度分布)可以由实际测定值制作，也可以由高斯分布(Gaussian distribution)等模型值制作。
(2)在第4实施方式中，各自设定中间部57的组27的测定轴X方向的尺寸X3、端部31的组27的测定轴X方向的尺寸X1，以使阵列中间部57的组27上的光强度的变化量ΔE3和端部31的该变化量ΔE1相同。因此，可使相对于光强度的变化量的平均效应在端部31的组27和中间部57的组27相同。由此，可使测定精度提高。
另外，在第4实施方式中，阵列中央部29的组27上的光强度的变化量比中间部57或端部31的该变化量小很多。因此，中央部29的光强度的变化量和中间部57或端部31的该变化量相同，设定中央部29的组27的测定轴X方向的尺寸是困难的。因此，在第4实施方式中，在组27的测定轴X方向的尺寸的设定上未考虑中央部29的组27。其中，当中央部29的组27上的光强度的变化量较大时，最好也考虑中央部29的组27。
第5实施方式图12是作为第5实施方式的比较的光接收芯片一部分的平面图。图13是第5实施方式的光接收芯片的一部分的平面图。在第1～第4实施方式中，PD23的间隔P基于光强度的变化量决定。另一方面，标定格子33的透光部40的位置基于光信号的相位决定。因此，如图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，在图13所示的第5实施方式中，关于透光部40-1，在入射相同相位的光信号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。
下面具体地说明第5实施方式。图14是第5实施方式的标定格子33的一例的平面图。光学格子33沿x方向配置。该光学格子33可配置在图3的光接收芯片15上。另一方面，图15是第5实施方式的标定格子33的另一例的平面图。光学格子33沿x方向及y方向配置，即，以行列状配置。该光学格子33可配置在图9的光接收芯片15上。再有，在图15中，沿y方向配置的标定格子33的透光部40的位置在各相中相同地表示。这是为了避免图面复杂，实际上有相位差。
透光部40的位置根据以下说明的计算决定。首先，在光接收芯片15上任意地决定x方向的基准位置RP。一般地，作为基准位置RP选择，(1)在光接收芯片15的平面上引出的光接收芯片15的假想中心线(机械中心线)或(2)光接收芯片15的端面。
设基准位置RP至各相位用透光部40的距离为Xa(k)、Xb(k)、Xaa(k)、Xbb(k)。K是表示透光部40顺序的序号。例如，Xa(1)是在A相用透光部40中第一个配置的透光部40和基准位置RP的距离。Xa(k)、Xb(k)、Xaa(k)、Xbb(k)设定为满足下式的值。由此，可将透光部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)运算是求A除以B的余数的运算。另外，φ是由基准位置RP决定的值。φ是在各相位中共通的值，与相位差无关。如图1所示，Pf是相光学格子11照射来自光源3的光L时生成的明暗图形L1的波长。通过如上述那样的决定标定格子33的透光部40的位置，可使PD23接收对应的相位的光信号。
再有，如图6说明的那样，根据PD阵列的位置不同光强度不同。因此，当使用所述式决定透光部40的位置时，A相用PD23的总光接收量、B相用PD23的总光接收量、AA相用PD23的总光接收量、BB相用PD23的总光接收量不相同，有可能形成不均匀。此时，可通过改变透光部40的个数或尺寸使各相位用PD23的的总光接收量均匀。例如，在A相用PD23的总光接收量比其它PD23的总光接收量小时，要调整在A相用PD23的前面配置的标定格子的透光部40的个数或宽度。
另外，在第1～第5实施方式中，使用四个相位不同的光信号(A相、B相、AA相、BB相)测定变位量，但本发明的光电式编码器不限于此。例如，三个相位不同的光信号(0度相位的光信号、相位比0度相偏移120度的光信号、相位比0度相偏移240度的光信号)也可适用于本发明的光电式编码器。
另外，如图1所示，第1～第5实施方式的光电式编码器1是使用来自透过标尺5的光学格子的发光二极管3的光L进行变位量的测定的类型，即透过型的类型。但是，在反射型的类型，也就是使用来自由标尺5的光学格子11反射的发光二极管3的光L测定变位量时，也可以使用本发明。
第1～第5实施方式的光电式编码器1是包括在标尺5上设置的光学格子11、在PD23前面配置的标定格子33的两片格子构成的类型。但是，在这些格子的基础上，再进一步具有作为光源的发光二极管3和标尺5之间配置的光学格子的三片格子构成的类型中，也可以使用本发明。
如上所述，根据本发明的光电式编码器，可提高相对于光源的光强度分布为原因的光强度变化的平均效应，同时可防止多个光接收元件的合计结电容的增大。由此，可实现高精度且高速应答的光电式编码器。
权利要求
1.一种光电式编码器，其特征在于，包括光源；标尺，其包括被来自所述光源的光照射的光学格子；多个光接收元件，其相对所述标尺配置为可沿测定轴方向相对移动，分别具有入射基于照射在所述光学格子的光所生成的光信号的光接收面，并检测相位不同的多个光信号；所述多个光接收元件配置为矩阵状，在矩阵端部配置的光接收元件的尺寸比在所述矩阵的中央部配置的光接收元件的尺寸小。
2.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述多个光接收元件沿所述测定轴配置，就所述光接收面的所述测定轴方向的尺寸而言，在所述阵列的端部配置的光接收元件比在所述阵列的中央部配置的光接收元件的小。
3.如权利要求2所述的光电式编码器，其特征在于，具有包括所述多个光接收元件的光接收芯片，所述光接收芯片还包括具有部分地覆盖所述光接收面的遮光部的标定格子。
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方连接到该遮光部，同时和所述光接收面接触；布线，其和所述遮光部连接。
5.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述多个光接收元件沿和所述测定轴正交的方向配置，就所述光接收面和所述测定轴正交的方向的尺寸而言，在所述阵列的端部配置的光接收元件的比在所述阵列的中央部配置的光接收元件的小。
6.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，由所述多个光接收元件构成每组光接收元件的尺寸不同的多个组，构成各组的光接收元件包括以相同的间隔连续配置并检测相位不同的多个光信号的光接收元件。
7.如权利要求6所述的光电式编码器，其特征在于，在所述各组中，所述光接收面的所述测定轴方向的尺寸相同，在所述阵列端部配置的组与在所述阵列中央部配置的组相比，所述光接收面的所述测定轴方向的尺寸小。
8.如权利要求6所述的光电式编码器，其特征在于，在所述多个组中，在位于配置在所述阵列端部的组与配置在所述阵列中央部的组之间的所述阵列的中间部配置的组中，光接收元件的尺寸比所述阵列端部的组的所述尺寸大，且比所述阵列中央部的组的所述尺寸小。
9.如权利要求8所述的光电式编码器，其特征在于，在各组中，所述光接收面的所述测定轴方向的尺寸相同，在所述阵列中间部配置的组中，所述光接收面的所述测定轴方向的尺寸比所述阵列端部的组的所述尺寸大，且比所述阵列中央部的组的所述尺寸小。
10.如权利要求6所述的光电式编码器，其特征在于，分别设定所述多个组的尺寸，使所述阵列的面上的以光强度分布为原因的光强度变化量在各组上一定。
11.如权利要求6所述的光电式编码器，其特征在于，具有包括所述多个光接收元件的光接收芯片，所述光接收芯片还包括具有部分地覆盖所述光接收面的遮光部的标定格子。
12.如权利要求11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方连接到该遮光部，同时和所述光接收面接触；布线，其和所述遮光部连接。
13.一种光电式编码器，其特征在于，包括光源；标尺，其包括被来自所述光源的光照射的光学格子；光接收芯片，其介由所述光学格子照射来自所述光源的光，同时，可相对所述标尺在所述测定轴方向相对移动；多个光接收元件，其沿所述光接收芯片上的测定轴方向及垂直于测定轴方向的方向配置为阵列状；多个标定格子，其被配置在所述多个光接收元件各自的前面；所述多个标定格子相互沿测定轴方向以规定偏移量配置，通过所述相对移动，自所述多个光接收元件输出相位不同的多个光信号。
14.如权利要求13所述的光电式编码器，其特征在于，接收相同相位的光信号的所述光接收元件相对于所述测定轴倾斜地配置，同时，接收不同相位的光信号的所述光接收元件在所述测定轴的倾斜方向周期性地配置。
15.如权利要求13所述的光电式编码器，其特征在于，就垂直于测定轴方向的尺寸而言，在所述阵列的端部配置的光接收元件比在所述阵列中央部配置的光接收元件小。
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，沿测定轴X以阵列状配置有多个光电二极管。在阵列的端部配置的PD的间隔及光接收面25的宽度分别比在阵列中央部配置的上述间隔及上述宽度小。
文档编号G01D5/347GK1550761SQ200410043298
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月17日 优先权日2003年5月16日
发明者小岛健司 申请人:三丰株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
