CN103256948B

CN103256948B - 光电编码器

Info

Publication number: CN103256948B
Application number: CN201310052343.8A
Authority: CN
Inventors: 田原智弘
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: EP2629064B1; EP2629064A3; US9719811B2; JP5974329B2; US20130206970A1; JP2013167536A; EP2629064A2; CN103256948A

Abstract

本发明涉及一种光电编码器。所述光电编码器包括：光接收单元，其包括第一光接收元件行和第二光接收元件行；以及遮光层，其包括遮光部和透光部，其中，所述第一光接收元件行和所述第二光接收元件行错开配置在第二方向上，以使得所述第一光接收元件行和所述第二光接收元件行中的光接收元件的排列图案具有在第一方向上相同的间距和在所述第一方向上不同的相位，以及所述第一光接收元件行中的光接收元件的光接收面上的透光部和所述第二光接收元件行中的光接收元件的光接收面上的透光部被形成为在所述第二方向上错开排列的情况下彼此没有重叠。

Description

光电编码器

技术领域

本发明涉及一种用于精确测量的光电编码器。

背景技术

传统上，在对如线性位移和角位移等的精确测量中已使用了光电编码器(以下有时称为“编码器”)。该编码器安装在如三维测量设备或图像测量设备等的设备中。该编码器包括：光源；刻度尺(scale)，其包括光学网格；以及光接收单元，其包括多个光接收元件并且具有位于光接收面上的索引网格，该索引网格被配置成能够连同光源一起相对于刻度尺移动，并且该光接收单元被配置成各光接收元件具有彼此不同的相位。

简要说明编码器的操作。在使刻度尺相对于光源和光接收单元移动的情况下，来自光源的光经由刻度尺的光学网格照射到索引网格上。这导致生成多个(例如，四个)具有不同相位的正弦光的明暗图案。这些正弦光的明暗图案表示光信号。在具有不同相位的光的明暗图案被与各相位相对应的光接收元件接收到的情况下，通过光电转换来生成电信号，并且利用该电信号来测量线性位移的量等。

顺便提及，在目的是进行一维测量的编码器的情况下，多个光接收元件通常沿着测量轴配置成线状(例如，JP2005-208015A)。

因此，为了提高位移量测量的分辨率性能，自然期望在光接收单元内在测量轴方向上配置宽度小的、数量更多的光接收元件。然而，光接收元件的大小是由光接收元件的制造工艺所确定的。换句话说，在采用传统技术的情况下，难以使光的明暗图案的检测间距小于受到光接收元件的制造工艺限制的光接收元件在测量轴方向上的限制宽度。

本发明是考虑到上述问题而作出的，并且本发明的目的在于提供一种使光接收单元的分辨率性能更高的光电编码器。

发明内容

根据本发明的一种光电编码器，包括：光源；刻度尺，用于利用从所述光源照射的光在沿着测量轴的第一方向上生成光的明暗图案；以及光接收单元，用于检测所述光的明暗图案，所述光接收单元包括：第一光接收元件行、第二光接收元件行以及遮光层，所述第一光接收元件行和第二光接收元件行各自包括多个光接收元件，所述光接收元件排列在所述第一方向上并且用于检测所述光的明暗图案；所述遮光层包括形成在所述光接收元件的光接收面上的遮光部和透光部，其中所述遮光部用于遮挡所述光的明暗图案并且所述透光部用于使得所述光的明暗图案透过，所述第一光接收元件行和所述第二光接收元件行错开配置在与所述第一方向正交的第二方向上，以使得所述第一光接收元件行和所述第二光接收元件行中的光接收元件的排列图案具有在所述第一方向上相同的间距和在所述第一方向上不同的相位，以及所述第一光接收元件行中的光接收元件的光接收面上的透光部和所述第二光接收元件行中的光接收元件的光接收面上的透光部被形成为在所述第二方向上错开排列的情况下彼此没有重叠。

另外，根据本发明的光电编码器还可被配置成如下：在假定所述光接收元件的光接收面上的形成有所述遮光层的透光部的区域是光接收区域的情况下，在所述第一光接收元件行上，所述遮光层的遮光部被形成为包括所述第一光接收元件行中的光接收面与所述第二光接收元件行中的光接收区域在第一方向上的重叠区域。

附图说明

图1是示出根据实施例的光电编码器的示意结构的图。

图2是说明根据实施例的光电编码器中的光接收单元内的光接收元件的排列的图。

图3是在图2的说明光接收元件的排列的图上进一步示出遮光层的图。

图4A是示出根据本实施例的光电编码器中的光接收单元内的电连接的图像的图。

图4B是示出根据实施例的光电编码器中的光接收单元的等效电路的图。

图5是示出图3所示的光接收单元中的光的明暗图案的检测间距的图。

图6是说明根据传统技术的光电编码器中的光接收单元内的光接收元件的排列的图。

具体实施方式

以下参考附图来说明根据本发明实施例的光电编码器。

图1是示出根据本发明实施例的光电编码器1的示意结构的图。本实施例的主要特征在于光接收单元的结构，并且作为用于理解该主要特征的前提，对光电编码器1进行说明。

首先，说明编码器1的结构。编码器1包括：发光二极管(LED)3；刻度尺5，用于对来自二极管3的光进行调制；以及光接收单元7，用于接收刻度尺5进行调制后的光。

来自二极管3的光L照射到刻度尺5上。在此，发光二极管3是光源的一个示例。此外，刻度尺5包括由诸如玻璃等的透明材料构成的细长形状的透明基板9，并且在图1中，示出该透明基板9的一部分。在与透明基板9的面向发光二极管3侧的表面的相反侧的表面上形成光学网格11。光学网格11具有多个遮光单元13，其中这些遮光单元13按特定间距成线状配置并且使得各遮光单元13在该图的深度方向上延伸。遮光单元13例如由诸如铬等的金属构成。

光接收单元7被配置为相对于刻度尺5存在间隙。光接收单元7是半导体芯片并且安装在电路基板15上。在光接收单元7中形成未示出的多个光电二极管。这些光电二极管的光接收面面向光学网格11侧。光电二极管是光接收元件的一个示例，并且除光电二极管以外，还可以采用光电晶体管作为光接收元件。另外，在光接收单元7的上部上形成后面所述的遮光层20。在电路基板15上安装用于计算的IC芯片17，并且IC芯片17基于光接收单元7内的多个光电二极管所检测到的正弦光的明暗图案(以下有时称为“光信号”)来执行位移量的计算。

将安装有光接收单元7等的电路基板15连同发光二极管3一起安装至保持件19。保持件19可移动地设置在作为刻度尺5的长方向的测量轴方向(以下称为“X方向”)上。换句话说，光电编码器1通过使保持件19相对于固定的刻度尺5移动来测量位移量。注意，本实施例还可适用于发光二极管3和光接收单元7固定并且刻度尺5移动以测量位移量的类型。换句话说，在本实施例的情况下，刻度尺5仅需被设置成能够相对于发光二极管3和光接收单元7进行相对移动。

接着，简要说明光电编码器1的测量操作。

在来自发光二极管3的光L照射到刻度尺5的光学网格11上的情况下，由于光学网格11而在X方向上产生光的明暗图案。此外，形成在光接收单元7内的各光电二极管检测到通过使保持件19在X方向上移动所引起的明暗图案(正弦光信号)的变化。

明暗图案的各相位所生成的电信号经由遮光层20和光电二极管被发送至IC芯片17。在IC芯片17中，在已对与A相和B相的明暗图案相对应的电信号进行了特定处理(直流分量的去除等)之后，基于处理后的这些电信号来计算位移量。然后，将该计算结果输出至未示出的显示单元。以上表示光电编码器1的操作。

接着，说明本实施例的光接收单元7。

光接收单元7包括p-型半导体基板。可以采用例如硅基板作为该p-型半导体基板。在该半导体基板的表面上沿着X方向上按特定间距形成例如n+型半导体区域。该半导体区域还可被称为掺杂区域。该半导体区域被形成为以与X方向正交的Y方向作为长方向。该结构使得p-型半导体基板和n+型半导体区域的结部分成为光电二极管(光接收元件)。此外，半导体基板的表面上的形成有半导体区域的区域成为光电二极管的光接收面。

接着，说明本实施例的光接收单元7中的光电二极管的排列，但作为该说明的前提，简要说明传统技术的情况。注意，在以下说明中，X方向上的长度有时被简称为“宽度”，并且Y方向上的长度有时被简称为“长度”。

图6是说明根据传统技术的光电编码器中的光接收单元内的光电二极管的排列的图。在传统技术的情况下，多个光电二极管PD在X方向(测量轴方向)上配置成线状。如图6所示，在假定光电二极管的宽度为w并且光电二极管的高度为h的情况下，无法使光信号的检测间距p小于w。此外，光电二极管PD的宽度w的最小加工尺寸是由光电二极管的制造工艺所确定的。换句话说，传统技术的情况导致光信号的检测间距受到光电编码器的制造工艺的限制。

因此，在本实施例中，如下进行光接收单元7中的光电二极管的排列。图2是说明根据本实施例的光电编码器1中的光接收单元7内的光电二极管的排列的图。

在本实施例的情况下，光接收单元7包括沿着Y方向配置在半导体基板上的多个光接收元件行LRL<0>~LRL<3>。

光接收元件行LRL各自由配置在X方向上的多个光电二极管PD构成。在假定光电二极管PD的宽度和高度分别为w和h的情况下，各光接收元件行LRL中的光电二极管PD的排列图案(以下光电二极管PD的排列图案有时被简称为“排列图案”)的间距(间距p)的最小值为w并且该排列图案的高度为h。

另外，多个光接收元件行LRL在排列图案的X方向上的间距(间距p)全部相同。此外，特定光接收元件行LRL的排列图案和其它的光接收元件行LRL的排列图案在X方向上按特定相位错开排列。通过这样使多个光接收元件行LRL在X方向上错开排列，光接收单元7从整体来看能够使排列图案的X方向上的间距、换句话说光信号的检测间距小于光电二极管PD的间距p。

具体地，例如，在图2的情况下，在假定排列图案的X方向上的相位相同的光接收元件行LRL<0>和LRL<2>是“第一光接收元件行”、并且同样假定排列图案的X方向上的相位相同的光接收元件行LRL<1>和LRL<3>是“第二光接收元件行”的情况下，第一光接收元件行和第二光接收元件行被配置成排列图案的X方向上的相位错开为180度。在这种情况下，光信号的检测间距可以缩减为p/2。

然而，如图2那样简单地配置光电二极管PD使得第一光接收元件行和第二光接收元件行重复检测到第一光接收元件行中的光电二极管PD的光接收面与第二光接收元件行中的光电二极管PD的光接收面在X方向上的重叠区域内的光信号。

因此，为了解决该问题，本实施例进一步为光接收单元7设置遮光层20。遮光层20例如可以形成在光电二极管PD的光接收面上所形成的金属层等内。

图3是如下光接收单元7的平面图，该光接收单元7具有在图2所示的说明光电二极管PD的排列的图上进一步示出的遮光层20。

遮光层20在光电二极管PD的光接收面上方，并且包括：遮光部20a，用于遮挡光信号；以及透光部20b，用于使得光信号能够透过。遮光层20的遮光部20a形成在第一光接收元件行中的光电二极管PD的光接收面与第二光接收元件行中的光电二极管PD的光接收面在X方向上的重叠区域的一部分内。这样形成遮光层20使得能够避免在形成有遮光部20a的区域内检测到与第二光接收元件行中的光信号重叠的光信号。

现在，如图3所示，为了完全避免第一光接收元件行和第二光接收元件行对光信号进行重叠检测，在假定光电二极管PD的光接收面中的形成有透光部20b的区域是“光接收区域”的情况下，仅需形成遮光层20的遮光部20a，以使得第一光接收元件行中的光接收区域和第二光接收元件行中的光接收区域在Y方向上错开的情况下没有重叠。换句话说，仅需在第一光接收元件行上将遮光层20的遮光部20a形成为包括第一光接收元件行(图3的LRL<0>和LRL<2>)中的光电二极管PD的光接收面与第二光接收元件行(图3的LRL<1>和LRL<3>)中的光电二极管PD的光接收区域在X方向上的重叠区域、并且在第二光接收元件行上包括第二光接收元件行中的光电二极管PD的光接收面与第一光接收元件行中的光电二极管PD的光接收区域在X方向上的重叠区域。

接着，说明图2和3所示的光电二极管PD之间的电连接的方法。图4A和4B是说明光接收单元7内的电连接的方法的图。图4A是将电连接的关系的图像重叠在光接收单元7中的光电二极管PD的排列的图上的图，并且图4B是光接收单元7的等效电路图。在图4A和4B的情况下，示出总共8个光接收元件行LRL<0>~LRL<7>。当然，光接收元件行LRL<0>、LRL<2>、LRL<4>和LRL<6>与第一光接收元件行相对应，并且光接收元件行LRL<1>、LRL<3>、LRL<5>和LRL<7>与第二光接收元件行相对应。此外，与图2和3相同，第一光接收元件行和第二光接收元件行的排列图案在X方向上的相位错开为180度。注意，图4A中的粗线L<0>和L<1>各自表示光电二极管PD的阴极侧上的布线。

在本实施例的情况下，在排列图案的X方向上的相位相同的多个光接收元件行中，X方向上的相同位置处的光电二极管PD并联连接。在图4A和4B的情况下，位于X方向上的相同位置的光接收元件行LRL<0>、LRL<2>、LRL<4>和LRL<6>中的四个光电二极管PD的阴极、即光电二极管PD<0>、PD<2>、PD<4>和PD<6>的阴极连接在一起。同样，位于X方向上的相同位置的光接收元件行LRL<1>、LRL<3>、LRL<5>和LRL<7>中的四个光电二极管PD的阴极、即光电二极管PD<1>、PD<3>、PD<5>和PD<7>的阴极连接在一起。此外，所有光电二极管PD<0>~PD<7>的阳极接地。

这样并联地连接位于X方向上的相同位置的同类光电二极管PD使得能够调整X方向上的每一像素的光接收区域。

最后，基于特定示例来概述本实施例的优点。图5是放大示出图4A所示的由虚线包围的区域的图。在该示例中，将一个光电二极管PD的间距p形成为15.6μm。在图5的情况下，使第一光接收元件行LRL<2>等和第二光接收元件行LRL<1>等的排列图案在X方向上的相位错开180度使得能够将光信号的检测间距设置为7.8μm，其中该7.8μm是光电二极管PD的间距p=15.6μm的一半。这样，如上所述，本实施例使得能够实现比受到光接收元件的宽度w限制的间距p小的光信号的检测间距。此外，如使用图4A和4B所述，使配置在X方向上的相同位置的同类光接收元件并联连接也使得能够调整每一像素的光接收区域。

注意，在本实施例的情况下，需要在Y方向上对光接收元件进行分割，因而与仅一行的光接收元件配置在X方向上的传统技术相比，每一像素的光接收区域减少。然而，使光接收元件(光接收元件行)在Y方向上的排列区域变宽使得可以确保每一像素的光接收区域。在这方面，本实施例在目的是在没有限制Y方向上的大小的情况下进行一维测量的光电编码器中特别有用。

此外，本实施例说明了多个光接收元件行的排列图案在X方向上的相位错开为180度的情况。然而，这些光接收元件行之间相位图案在X方向上的错开不限于此。例如，在进行排列时多个光接收元件行在X方向上的相位错开了120度的情况下，可以使光信号的检测间距缩小为光接收元件的排列间距p的1/3。

尽管已经说明了本发明的特定实施例，但这些实施例是以示例方式呈现的，并且并不意图限制本发明的范围。实际上，这里所述的新方法和系统可以以各种其它形式来体现；此外，可以在没有背离本发明的精神的情况下对这里所述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求书及其等同物意图涵盖将落入本发明的范围和精神内的这些形式或修改。

Claims

1.一种光电编码器(1)，包括：

光源(3)；

刻度尺(5)，用于利用从所述光源照射的光(L)在沿着测量轴的第一方向(X)上生成光的明暗图案；以及

光接收单元(7)，用于检测所述光的明暗图案，

所述光接收单元包括第一光接收元件行(LRL<0>)、第二光接收元件行(LRL<1>)以及遮光层(20)，所述第一光接收元件行(LRL<0>)和第二光接收元件行(LRL<1>)各自包括多个光接收元件(PD)，所述第一光接收元件行和所述第二光接收元件行的各个光接收元件排列在所述第一方向上并且用于检测相同相位的所述光的明暗图案，所述遮光层(20)包括形成在所述光接收元件的光接收面上的遮光部(20a)和透光部(20b)，其中所述遮光部用于遮挡所述光的明暗图案并且所述透光部用于使得所述光的明暗图案透过，

所述第一光接收元件行和所述第二光接收元件行错开配置在与所述第一方向正交的第二方向(Y)上，以使得所述第一光接收元件行和所述第二光接收元件行中的光接收元件的排列图案具有在所述第一方向上相同的间距和在所述第一方向上不同的相位，

所述第一光接收元件行中的光接收元件的光接收面上的透光部和所述第二光接收元件行中的光接收元件的光接收面上的透光部被形成为在所述第二方向上错开排列的情况下彼此没有重叠，以及

一个所述透光部和在所述第一方向上夹持所述透光部的所述遮光部形成于每个光接收面上。

2.根据权利要求1所述的光电编码器，其中，

在假定所述光接收元件(PD)的光接收面上的形成有所述遮光层(20)的透光部(20b)的区域是光接收区域的情况下，

在所述第一光接收元件行上，所述遮光层的遮光部(20a)被形成为包括所述第一光接收元件行(LRL<0>)中的光接收面与所述第二光接收元件行(LRL<1>)中的光接收区域在所述第一方向(X)上的重叠区域。

3.根据权利要求1或2所述的光电编码器，其中，

所述光接收单元(7)包括多个所述第一光接收元件行(LRL<0>)和多个所述第二光接收元件行(LRL<1>)至少之一。

4.根据权利要求1或2所述的光电编码器，其中，

所述第一光接收元件行(LRL<0>)和所述第二光接收元件行(LRL<1>)中的光接收元件(PD)的排列图案在所述第一方向(X)上的相位差为180度。

5.根据权利要求1或2所述的光电编码器，其中，

所述光接收元件(PD)是光电二极管，以及

配置在所述第一方向(X)上的相同位置的多个所述光电二极管并联连接。

6.根据权利要求3所述的光电编码器，其中，

所述光接收元件(PD)是光电二极管，以及

7.根据权利要求1或2所述的光电编码器，其中，

所述光接收单元(7)包括交替配置在所述第二方向(Y)上的多个所述第一光接收元件行(LRL<0>)和多个所述第二光接收元件行(LRL<1>)。

8.根据权利要求3所述的光电编码器，其中，

9.根据权利要求1或2所述的光电编码器，其中，所述遮光层(20)由金属构成。

10.根据权利要求3所述的光电编码器，其中，

所述遮光层(20)由金属构成。