CN106404013B - 位置测量机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置测量机构，包括量具和扫描单元，其沿着测量方向相对彼此能够运动地布置，其中，在量具上布置有测量刻度，所述测量刻度由用于产生位置信号的扫描单元能够扫描并且扫描单元为此包括照明单元和探测器单元，其中，由照明单元沿着测量刻度的方向能够发出光并且由测量刻度调制的光由探测器单元能够探测并且其中，探测器单元包括电路板和传感器单元，所述传感器单元构造为半导体芯片。本发明的特征在于，在传感器单元的面向测量刻度的前侧面上布置有至少两个光电探测器并且传感器单元的电的接头借助于金属的金属化通孔引导至在所述传感器单元的背侧面上的接触面并且传感器单元通过接触面连接到在电路板上的相对应的接触面处。

Description

位置测量机构

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的位置测量机构。所述位置测量机构主要在自动化技术中用于测量距离和/或角度。

背景技术

位置测量机构尤其在机床中和在自动化技术方面广泛传播。所述位置测量机构用于确定两个相对彼此能够运动的物体的相对位置。在此，原则上将长度测量仪器和角度测量仪器区分开。长度测量仪器例如用于确定机床的两个相对彼此能够运动的机器部件的相对位置。为此，例如以在其上布置有测量刻度的直的标尺的形式的量具与这两个物体中的一个连接并且扫描单元与这两个物体中的另一个连接，从而通过扫描测量刻度来获得取决于位置的扫描信号，借助于所述扫描信号能够确定这两个物体相对彼此沿着运动方向运动的程度。

角度测量仪器（也已知为名称转动传感器）根据相同的原理来构造。但就标尺而言，在此作为量具出现的是圆形的盘，测量刻度在所述盘上同心于转动点来布置。盘抗扭转地与待测量的轴连接，而扫描单元为此固定地来装配。

测量刻度能够包括一个或多个刻度轨道，其中，区分增量的和绝对编码的刻度轨道。增量的刻度轨道具有规则布置的刻度元素，在量具和扫描单元之间相同的相对运动的情况下，由所述刻度元素的扫描引起很大程度上正弦形的扫描信号。距离确定在此基于信号周期的或信号周期的部分的计数。对于绝对的距离确定而言必须确定参考点，为此，例如设置有参考标记，其同样由扫描单元来检测。反之，由绝对编码的刻度轨道的扫描信号能够直接地确定绝对位置，因为所述绝对位置在多个、彼此并排布置的刻度轨道中并联地（例如格雷码、BCD码），或在一个刻度轨道中串联地（例如链式码、PRC）来编码。此外，还已知如下的测量刻度，其不仅包括增量的刻度轨道、而且包括绝对的刻度轨道。

在位置测量机构中，广泛传播的工作原理为光学的扫描。在此，安置在量具上的测量刻度利用由光源发射的指向的光成像到一定数量的光电探测器上。量具能够运动地布置在光的射程中并且（当测量刻度相对于光源和光电探测器运动时）调制所述光。位置或位置变化通过分析光电探测器的输出信号来求得。测量刻度能够具有带有不同的光学的特性（如例如透明/不透明）的区域。

对于扫描而言所需的光电探测器大多一起布置在半导体芯片上，所述半导体芯片借助于板上芯片封装技术（COB）直接地装配到电路板上。在此，芯片利用其背侧面首先粘结到电路板上并且接下来在所述芯片的上侧面上的接触面借助于引线焊接连接到电路板处。通常，除了光电探测器之外，在半导体芯片上还布置有用于扫描信号的分析电子装置的至少部分。

图3示意性地示出了由现有技术已知的位置测量机构的、对于位置测量而言相关的构件，也就是说，示意性地示出了扫描单元10和量具40，在所述量具40上布置有测量刻度41。

扫描单元10和量具40沿着测量方向X相对彼此能够运动地来布置。如果位置测量机构例如涉及用于长度测量的机构（线性的位置测量机构），则量具40实施为直的标尺，所述标尺固定在第一机器部件处并且在所述标尺上沿着测量方向X布置有测量刻度41。扫描单元10那么固定在第二机器部件处，也就是说，以如下方式，即在第一机器部件相对于第二机器部件沿着测量方向X进行运动时，扫描单元10沿着标尺运动并且在此扫描测量刻度41。扫描信号由扫描获得，由所述扫描信号在另外的处理中生成位置值。

在旋转的位置测量机构（转动传感器或角度测量仪器）中，量具40例如为圆圈形的盘，所述盘抗扭转地与轴（所述轴的角度位置应该被测量）连接。在此，测量刻度41同心于轴的转动点来布置。反之，扫描单元静止地固定，也就是说，以如下方式，即在待测量的轴转动时能够扫描测量刻度并且由扫描信号又能够生成位置值、在这种情况中角度值。

扫描单元10包括照明单元20和探测器单元530。位置测量机构基于的工作原理为光学的透射光扫描的工作原理。这意味着，在量具40上的测量刻度41布置在照明单元20和探测器单元530之间。照明单元20沿着测量刻度41的方向发出光。所述测量刻度41包括光可透的（透明的）和光不可透的（不透明的）区域，所述区域调制照明单元20的光。调制的光成像到探测器单元530上，所述探测器单元530由此生成位置信号。

在实践中，在光学的透射光扫描中优选地使用平行定向的光。为了产生平行定向的光，照明单元20例如能够包括光源21，所述光源21发出分离的光，所述分离的光由准直器22来平行地定向。

量具40有利地由透明的材料、例如玻璃制成。测量刻度41在这种情况中由不透明的区域（例如通过安置到量具上的金属）形成。特别适用于此的是例如铬。但还已知如下的量具40，其由不透明的材料、例如金属制成。在此，测量刻度41能够实施为顺序的金属片和在量具40中的缺口。

探测器单元530包括电路板531、传感器单元532和（尤其在测量刻度41的小的待扫描的刻度周期的情况下的）扫描板533。

电路板531尤其作为用于传感器单元532的载体起作用，所述传感器单元532形成探测器单元530的中央的构件。在电路板531上除了用于传感器单元532的起支持作用的电子的电路之外还例如布置有以插塞连接件等的形式的输入/输出接口。

传感器单元532实施为半导体芯片。所述传感器单元532具有前侧面和背侧面，其中，面向电路板531的侧面为传感器单元532的背侧面并且面向测量刻度41的侧面为传感器单元532的前侧面。在传感器单元532的前侧面上布置有一定数量的光电探测器535，所述光电探测器535用于通过探测照明单元20的、由测量刻度41和如有可能扫描板533调制的光来产生位置信号。传感器单元532的前侧面相对于如下的平面，测量刻度41位于其中的平面优选地平行定向。除了光电探测器535之外，传感器单元532有利地还包括附加的构件以用于处理位置信号，如有可能直到由位置信号形成位置值为止。此外，传感器单元能够包括大量另外的电路块、如例如误差修正、用于保证功能安全的电路、以及用于与后续电子装置进行通讯的数字的接口。不仅包括光电探测器而且包括用于信号处理的构件的半导体芯片被称为Opto-ASIC。

传感器单元532的背侧面与电路板531连接，其中，连接例如通过粘结形成。为了传感器单元532的电路构件与电路板531的电的连接，在传感器单元532的前侧面上以及在电路板531的面向传感器单元532的侧面上分别布置有相对应的接触面（没有示出），所述接触面以已知的方式由通过压焊引线537的引线焊接与彼此连接。压焊引线537由浇铸料（Vergussmasse）538来保护以防机械的影响。

引线焊接不仅关于必要的生产设施（丝焊器）的购置成本而且关于用于引线焊接的、浇铸压焊引线的和硬化浇铸料的附加的时间耗费是耗费的制造工序。

由这种连接技术所引起地，得出了围绕光电探测器的阻挡部，所述阻挡部关于传感器单元532的前侧面（也就是说光电探测器位于其上的、半导体芯片的表面）提高了高度c。高度c在传统的制造方法中为至少0.5mm。在考虑（尤其由在浇铸料538的厚度中的波动所引起的）制造公差的情况下，必须在这种结构中遵守在0.55mm和0.7mm之间的扫描间距d，以便能够保证可靠的运行，所述扫描间距d由传感器单元32的前侧面（光电探测器位于其上的半导体芯片的表面）到量具40的表面（在示出的示例中能够与测量刻度41的表面等同）的间距所限定。

扫描板533尤其在扫描小的刻度周期的情况下是必要的。所述扫描板533布置在传感器单元532的前侧面上的光电探测器535和测量刻度41之间。所述扫描板533类似于量具40地具有刻度结构，所述刻度结构优化了测量刻度41到光电探测器535上的成像。

文件DE 198 55 307 A1公开了一种扫描单元，在其中传感器单元的接触通过引线焊接来进行。在辐射敏感的区域之上附加地布置有遮盖元件，所述遮盖元件的厚度还超过接触区域。

明显的是，在光学的扫描原理中，在光的射程中的每种脏沉积物不利地影响功能。这特别适用于液态的污染物。所述污染物以液体微滴的形式出现，所述液体微滴例如由润滑剂、冷凝水、冷却剂等形成。所述液体微滴不仅减少碰到光电探测器上的能够分析的光量，而且还散射光，从而所述光分布到多个、处于彼此并排的光电探测器上。

由浇铸料538形成的阻挡部在脏沉积物方面具有消极的特性，因为所述阻挡部根据装入位置有助于脏沉积物留在阻挡部之内。

为了预防由于脏沉积物而引起的问题，在设计利用光学的扫描的位置测量机构的情况下特别注意的是，避免引入以固态的或还有液态的形式的脏微粒。这能够例如通过材料挑选或专门的结构上的措施来实现。

然而污染物的完全的避免是难以实现的。因此尝试，通过实现在扫描时的冗余或通过扫描信号的耗费的信号处理来补偿脏微粒的影响。

尽管所有这些措施，尤其以液态的形式的脏微粒依旧是光学的位置测量机构的可能的失灵原因。

发明内容

因此本发明的任务在于，实现一种位置测量机构，其能够简单地制造并且具有小的污染敏感性（Verschmutzungsempfindlichkeit）。

所述任务通过根据权利要求1的位置测量机构解决。所述位置测量机构的有利的细节由从属于权利要求1的权利要求得出。

提出一种位置测量机构，包括量具和扫描单元，其沿着测量方向相对彼此能够运动地来布置，其中，在量具上布置有测量刻度，所述测量刻度由用于产生位置信号的扫描单元能够扫描并且扫描单元为此包括照明单元和探测器单元，其中，光能够由照明单元沿着测量刻度的方向发出并且由测量刻度调制的光由探测器单元能够探测并且其中，探测器单元包括电路板和传感器单元，所述传感器单元构造为半导体芯片。本发明的特征在于，在传感器单元的面向测量刻度的前侧面上布置有至少两个光电探测器并且传感器单元的电的接头借助于金属的金属化通孔引导至在所述传感器单元的背侧面上的接触面并且传感器单元通过接触面连接到在电路板上的相对应的接触面处。

附图说明

本发明的另外的优点以及细节由接下来按照附图的描述得出。

其中：

图1示出了示意性地示出的根据本发明的位置测量机构，

图2a示出了在大的扫描间距的情况下，光的、由于液体微滴所引起的散射，

图2b示出了在小的扫描间距的情况下，光的、由于液体微滴所引起的散射，

图3示出了相应于现有技术的、示意性地示出的位置测量机构，

图4a示出了图1的探测器单元的一种有利的改进方案，以及

图4b示出了图4a的探测器单元的一种变型方案。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的位置测量机构的对于位置测量而言相关的构件。基本上的结构相应于开头按照图3描述的位置测量机构，在此明确地参考按照图3描述的所述位置测量机构。已经在图3方面描述了的构件具有相同的附图标记。

位置测量机构包括扫描单元10和量具40，在所述量具40上布置有测量刻度41。扫描单元10具有由现有技术已知的照明单元20并且具有根据本发明改善的探测器单元30。

探测器单元30的决定性的改善能够如下来实现，即实施为半导体芯片的传感器单元32不是通过引线焊接（Drahtbonden）电地连接到电路板31处，而是在半导体芯片中电的电路的接头借助于金属化通孔36（Durchkontaktierungen）通过半导体基质（半导体芯片由所述半导体基质制成）引导至在芯片的背侧面上的接触面33并且至电路板31的相对应的接触面34的电的连接通过钎焊方法形成。例如能够首先将金属小球37安置到半导体芯片的接触面33上，所述金属小球37接下来通过回流钎焊与在电路板31上的相对应的接触面34连接。也就是说，引线焊接的、耗费的工序由标准钎焊工序所代替。这意味着，传感器单元32在SMD装备的过程中能够与其余的构件同时地放置并且钎焊在电路板31上。

如此实施的传感器单元32的前侧面具有平坦的表面，所述平坦的表面相较于由现有技术已知的传感器单元532使脏微粒的积聚变得困难。

在传感器单元32的前侧面上布置有至少两个光电探测器35，所述光电探测器35探测照明单元20的由测量刻度41调制的光。光电探测器35的实际上的数量取决于测量刻度41的设计。如果测量刻度41具有多于一个刻度轨道（例如增量的和平行于此的、一个或多个绝对编码的刻度轨道），那么合适的数量的光电探测器35横向于测量方向X布置在配属于刻度轨道的位置处。由此获得的位置信号由信号处理电路（所述信号处理电路有利地部分地或也完全地集成在传感器单元32中）处理并且继续输出到后续电子装置（Folgeelektronik）（没有示出）处。如开头已经提及的那样，半导体芯片（其不仅包括光电探测器，而且也包括信号处理电子装置）涉及Opto-ASIC。

电路板31能够由玻璃纤维增强的环氧树脂（Epoxy）制成，但也能够使用陶瓷材料、如例如氧化铝。

金属化通孔36大多竖直地来放置并且由金属制成，由此所述金属化通孔36具有能够与在现有技术中所使用的压焊引线比较的电的特性。在传感器单元32的半导体芯片上的接触面33不必强制地直接地布置在金属化通孔36之上。反而可行的是，所述接触面33布置成相对彼此偏移的并且通过导体道38与彼此连接（再分布层（Redistribution-Layer））。

如果半导体芯片（如现在通常的那样）基于硅基质，则也称为硅金属化通孔或硅通孔（Through-Silicon Vias（TSV））。具有硅金属化通孔的半导体芯片现在主要使用在用于数码摄影的图像传感器中，因为通过将接触面布置到芯片的背侧面上能够增大像素（Pixel）的能够使用的感光的面。此外，具有硅金属化通孔的半导体芯片用于建立3D集成的切换回路（3D-IC），因为这种连接技术适用于，彼此相叠地堆叠和连接多个芯片。

鉴于本发明认识到，接触面33从传感器单元32的前侧面到传感器单元32的背侧面上的布置实现了，相对于现有技术明显减少扫描间距d，所述扫描间距d在本发明的范围内由传感器单元32的前侧面（也就是说，半导体芯片的如下的表面，光电探测器位于所述表面上）至测量刻度41的表面（在示出的示例中由于刻度线的小的厚度而要与量具40的表面等同）的间距限定。通过省去压焊引线537和浇铸料538（也就是说，通过完全消除具有高度c的阻挡部（Dammes））使得扫描间距d仅仅还取决于扫描单元10或者说传感器单元32相对于量具40的机械的引导和结构公差（例如传感器单元32的表面相对于量具40的表面的平行性）。因此，对于扫描间距d而言能够无论如何选取小于0.55mm的值，在足够准确的机械的结构的情况下，甚至能够实现用于扫描间距d的、小于0.1mm的直至向下到0.03mm的值。

除了传感器单元32之外还需要的另外的电子的结构部件以及插塞连接件等有利地布置在电路板31的背侧面上或在如下的区域中，在其中电路板31和量具40在装配的状态中不搭接（überlappen）。

由使用根据本发明的传感器单元32得出的另外的优点是，在小的扫描间距d的情况下能够放弃扫描板。由此，在待探测的光的射程中的表面的数量得到减少，所述表面的光学的特性会由污染所妨碍。

图2a和2b示出了在由于液体微滴所引起的污染的情况下，扫描间距d对光学的扫描的污染敏感性的影响。在此假设，液体微滴60位于测量刻度41上。液体微滴对光束具有散射的作用。由此导致在测量刻度41到光电探测器35上的成像方面的不清晰（分别示出了一个中央的光电探测器35.1和两个相邻的光电探测器35.2、35.3），扫描间距d越大，所述不清晰越严重地作用。

如在图2a中示出的那样，大的扫描间距d导致，散射的光的相当多的部分落入到相邻的光电探测器35.2、35.3上。这减少了由中央的光电探测器35.1所探测的位置信号，而相邻的光电探测器35.2、35.3探测了有错误的位置信号。总体上妨碍了位置测量的可靠性。

扫描间距d的减小（如在图2b中示出的那样）引起，尽管有光的散射，待探测的光的大的份额仍然落入到中央的光电探测器35.1上并且仅仅散射的光的可忽略的部分到达相邻的光电探测器35.2、35.3。这引起了位置测量的可靠性的显著的提高。

此外，小的扫描间距d具有如下效果，在传感器单元32的前侧面和量具40的表面之间的较大的液体微滴被挤压并且由此形成均匀的液体膜，所述液体膜显著地减少光的散射。当扫描间距d减少到小于0.3mm上时，这种效果已经起作用。

如在图1中示出的那样，在钎焊工序之后，在传感器单元32下方的剩余的空腔空间能够在底部填充工序（Underfill-Prozess）中以弹性的、耐温度的塑料材料（底部填料50）填充。除了提高结构的机械的稳定性和补偿所使用的材料的不同的热膨胀系数之外，由此还有效地阻止了，污染、尤其液体微滴60到达到在传感器单元32和电路板31之间的钎焊连接的区域中。电的中断（通过基于触点与有导电能力的液体的欧姆的连接的故障电流所引起）以及由于腐蚀所引起的钎焊部位的损害能够由此避免。

另外有利的是，围绕传感器单元32设置有由塑料材料制成的侧面保护部51，所述侧面保护部51保护传感器单元32的侧面以防例如由于较大的脏微粒所引起的机械的损害。有利地，侧面保护部51与传感器单元32的、配属于前侧面的边缘齐平地终止。

对于侧面保护部51和底部填料50能够使用相同的材料。

图4a示出了图1的探测器单元30的一种有利的改进方案，在其中传感器单元32的前侧面通过由合适的透明的材料（玻璃、或类似物）制成的保护窗口52来保护以防损害。在传感器单元32和保护窗口52之间的连接能够通过面型的粘结或通过粘合（Ansprengen）形成。

当在制造具有大量传感器单元32的晶片（Wafers）时将所述晶片已经在锯下各个传感器单元32之前与由保护窗口52的材料制成的盘连接时，这种结构能够特别简单地来制造。通过一起锯下使得传感器单元32和保护窗口52具有相同的面。侧面保护部51能够在这种情况中提高到如下程度，使得所述侧面保护部51超出传感器单元32的侧面突出并且至少部分地覆盖保护窗口52的侧面。以这种方式，传感器单元32在探测器单元30的完成装配的状态中全面地得到保护以防机械的损害。

当（如在图4b中所示出的那样）保护窗口52的面大于传感器单元32的面时，获得了探测器单元30的还更加牢固的结构。在这种情况中，侧面保护部51将电路板31与保护窗口52的面向传感器单元32的背侧面连接。当具有传感器单元32的晶片和由保护窗口52的材料制成的盘已经与彼此连接并且在传感器单元32之间的区域在锯下传感器单元32之前通过蚀刻工序（Ätzprozess）自由蚀刻直到由保护窗口52的材料制成的盘时，这种结构也能够简单地制造。

通过保护窗口52，最小能够实现的扫描间距d被提高。但保护窗口的厚度能够无论如何如下来选取，使得所述厚度小于由引线焊接规定的高度c（约0.5mm），从而能够实现比在现有技术中规定的0.55mm的值小的扫描间距d。有利地，保护窗口的厚度处在0.2mm和0.4mm之间的范围中，其中，下极限通过在制造中提高的耗费还能够进一步减少。

如果由于较大的扫描间距d结合测量刻度41的细的刻度周期而应该需要扫描板，则能够在保护窗口52的面向测量刻度41的前侧面上布置有如下的刻度结构，所述刻度结构满足扫描板的功能，而不提高经受污染的表面的数量。

备选地，传感器单元32的前侧面能够通过清漆或清浇铸物（Klarverguss）来得到保护以防机械的损害。

Claims (9)

1.位置测量机构，包括量具（40）和扫描单元（10），所述量具和所述扫描单元沿着测量方向（X）相对彼此能够运动地布置，其中，在所述量具（40）上布置有测量刻度（41），所述测量刻度（41）能够由用于产生位置信号的所述扫描单元（10）扫描并且所述扫描单元（10）为此包括照明单元（20）和探测器单元（30），其中，光能够由所述照明单元（20）沿着所述测量刻度（41）的方向发出并且由所述测量刻度（41）调制的光能够由所述探测器单元（30）探测并且其中，所述探测器单元（30）包括电路板（31）和传感器单元（32），所述传感器单元（32）构造为半导体芯片，其特征在于，在所述传感器单元（32）的面向所述测量刻度（41）的前侧面上布置有至少两个光电探测器（35）并且所述传感器单元（32）的电的接头借助于金属的金属化通孔（36）引导至在所述传感器单元（32）的背侧面上的接触面（33）并且所述传感器单元（32）通过所述接触面（33）连接到在所述电路板（31）上的相对应的接触面（34）处，其中，在所述传感器单元（32）的前侧面和所述测量刻度（41）的表面之间的扫描间距（d）为小于0.55mm。

2.根据权利要求1所述的位置测量机构，其中，在电路板（31）和传感器单元（32）之间的剩余的空腔空间以底部填料（50）填充。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的位置测量机构，其中，围绕所述传感器单元（32）设置有侧面保护部（51）。

4.根据权利要求1所述的位置测量机构，其中，所述传感器单元（32）的前侧面由面型地粘上的或粘合的保护窗口（52）来保护以防机械的损害。

5.根据权利要求4所述的位置测量机构，其中，所述保护窗口（52）具有与所述传感器单元（32）相同的面或比所述传感器单元（32）大的面。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的位置测量机构，其中，在所述保护窗口（52）的面向所述测量刻度（41）的侧面上布置有刻度结构。

7.根据权利要求1所述的位置测量机构，其中，所述传感器单元（32）的前侧面由清漆或清浇铸物来保护以防机械的损害。

8.根据权利要求1所述的位置测量机构，其中，在所述传感器单元（32）的前侧面和所述测量刻度（41）的表面之间的扫描间距（d）为小于0.3mm。

9.根据权利要求1所述的位置测量机构，其中，所述传感器单元（32）为Opto-ASIC。

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