DE10022676A1

DE10022676A1 - Optische Verschiebungsdetektoreinrichtung

Info

Publication number: DE10022676A1
Application number: DE10022676A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Omi
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-01-18
Also published as: GB2349948B; GB2349948A; US6410911B1; GB0010090D0; JP2000321018A

Abstract

Ein optischer Kodierer weist eine reflektierende Skala und einen Sensorkopf auf. Der Sensorkopf weist einen Leiterrahmen auf; einen LED-Chip, der auf dem Leiterrahmen angebracht ist und eine nach oben weisende Lichtemissionsoberfläche zur Beleuchtung der Skala aufweist, einen Chip mit einem lichtempfindlichen Gerät, der auf dem Leiterrahmen angebracht ist und eine lichtempfindliche Oberfläche aufweist, die nach oben zeigt, um von der Skala reflektiertes Licht zu empfangen; sowie einen Körper aus transparentem Harz, der so ausgeformt ist, daß in ihm abgedichtet der LED-Chip und der Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät aufgenommen sind. Ein konvexer Abschnitt ist auf einer Oberfläche vorgesehen, welche der Lichtemissionsoberfläche des LED-Chips gegenüberliegt, des Körpers aus transparentem Harz. Ein reflektierender Film ist über dem konvexen Abschnitt vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Verschiebungsdetektoreinrichtung, und insbesondere eine miniaturisierte Verschiebungsdetektoreinrichtung, die so aufgebaut ist, daß eine reflektierende Skala und ein Sensorkopf hergestellt werden, auf welchem ein lichtemittierendes Gerät und lichtempfindliche Geräte angebracht sind.

Bekanntlich gibt es zwei Arten optischer Kodierer. Eine ist vom Reflexionstyp, und detektiert Licht, das von Skalengittern reflektiert wird, und die andere ist vom Transmissionstyp und detektiert Licht, welches durch Skalengitter hindurchgelassen wurde. Hierbei ist der Kodierer des Reflexionstpys in Bezug auf Miniaturisierung und dünnere Ausbildung vorteilhaft, verglichen mit dem Transmissionstyp, da ein Sensorkopf, der eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger enthält, nur auf einer Seite der Skala aufgebaut werden kann. Bislang weist jedoch der Sensorkopf des reflektierenden Kodierers einen komplizierten Aufbau auf, bei welchem es erforderlich ist, einen geeigneten Rahmen zur Herstellung eines Substrats vorzusehen, auf welchem lichtempfindliche Geräte angebracht sind, ein lichtemittierendes Gerät, wie etwa eine LED, und eine Leiterplatte mit einer gedruckten Schaltung zum Verbinden dieser Geräte.

Daher ist der herkömmliche, reflektierende Kodierer in der Hinsicht nachteilig, daß sein Aufbau kompliziert ist, wenn ein kompakter und dünner Kodierer hergestellt werden soll, der beispielsweise in einen kleinen X-Y-Tisch eingebaut werden kann. Darüber hinaus ist eine große Anzahl an Mannstunden für den Zusammenbau erforderlich, und ist es schwierig, eine automatisierte Herstellung und Massenproduktion zu erzielen.

Die Erfinder haben bereits eine Technik zur Erzielung eines miniaturisierten Sensorkopfes vorgeschlagen, welche einen Harzblock verwendet (US-Patent 5 995 229).

Die vorliegende Erfindung soll die Technik der früheren Anmeldung verbessern, und daher besteht ihr Vorteil in der Bereitstellung einer optischen Verschiebungsdetektoreinrichtung, bei welcher ein Sensorkopf weiter miniaturisiert und dünner ausgebildet werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine optische Verschiebungsdetektoreinrichtung vorgesehen, welche eine reflektierende Skala aufweist, auf welcher Skalengitter mit einem bestimmten Teilungsabstand vorgesehen sind. Weiterhin ist ein Sensorkopf vorgesehen, der in Bezug auf die reflektierende Skala beweglich angeordnet ist, um Licht zur reflektierenden Skala auszusenden, und von der reflektierenden Skala reflektiertes Licht zu empfangen, zur Erzeugung eines Verschiebungssignals. Der Sensorkopf weist einen Leiterrahmen auf. Weiterhin ist er mit einem LED-Chip versehen, der auf dem Leiterrahmen angebracht ist, und eine Lichtemissionsoberfläche zur Bestrahlung der reflektierenden Skala aufweist. Der Sensorkopf weist weiterhin einen Chip mit einem lichtempfindlichen Gerät auf, der auf dem Leiterrahmen an einem Ort getrennt von dem LED-Chip angebracht ist, und eine lichtempfindliche Oberfläche zum Empfang von der reflektierenden Skala reflektierten Lichts aufweist. Die lichtempfindliche Oberfläche des Chips mit dem lichtempfindlichen Gerät sowie die Lichtemissionsoberfläche des LED-Chips sind in entgegengesetzten Richtungen angeordnet. Der Sensorkopf weist weiterhin einen transparenten Harzkörper auf, der so ausgeformt ist, daß in ihm der LED-Chip und der Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät, der auf dem Leiterrahmen angebracht ist, abgedichtet aufgenommen sind. Weiterhin ist ein reflektierender Film auf der Oberfläche des Körpers aus transparentem Harz vorgesehen, um das von dem LED-Chip ausgesandte Licht zu reflektieren, und so die reflektierende Skala zu beleuchten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Sensorkopf so aufgebaut, daß der Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät und der LED-Chip auf dem Leiterrahmen angebracht werden, und dann deren einstückige Ausformung mit einem transparenten Harz erfolgt. Hierdurch kann der Sensorkopf miniaturisiert und dünner ausgebildet werden. Darüber hinaus kann die Energiezufuhr zu den Lichtemissions- und lichtempfindlichen Geräten an einer Position zentralisiert werden, so daß Räume für die Verdrahtung verkleinert werden. Der Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät und der LED-Chip werden so auf dem Leiterrahmen angebracht, daß die lichtempfindliche Oberfläche und die Lichtemissionsoberfläche in entgegengesetzten Richtungen liegen. Darüber hinaus wird der reflektierende Film auf jener Oberfläche des Körpers aus transparentem Harz vorgesehen, welche dem LED-Chip gegenüberliegt, um so das Licht von dem LED-Chip zur Beleuchtung der reflektierenden Skala zu reflektieren. Hierdurch kann der Sensorkopf eine hohe Empfindlichkeit aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1A und 1B eine Anordnung eines optischen Kodierers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A und 2B ein Beispiel für die Anordnung eines Chips mit einem lichtempfindlichen Gerät des optischen Kodierers;

Fig. 3 ein anderes Beispiel für die Anordnung eines Chips mit einem lichtempfindlichen Gerät des optischen Kodierers;

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines Zustands der Lichtemission von dem Sensorkopf bei der voranstehenden Ausführungsform; und

Fig. 5 eine Darstellung von Beleuchtungsstärkeverteilungen auf der Skala, die durch den Sensorkopf bei der voranstehenden Ausführungsform beleuchtet wird.

Fig. 1A ist eine Querschnittsansicht, welche eine Anordnung eines optischen Kodierers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 1B ist eine Rückansicht, welche eine Anordnung des zugehörigen Sensorkopfs zeigt, gesehen von der rückwärtigen Oberfläche aus (der rückwärtigen Oberfläche, welche der Skala gegenüberliegt). Der optische Kodierer weist eine reflektierende Skala 1 auf, auf welcher Skalengitter 11 mit einem vorbestimmten Teilungsabstand von λ vorgesehen sind, die in Form eines Feldes entlang einer Meßachse x angeordnet sind. Weiterhin weist der optische Kodierer einen Sensorkopf 2 auf, der gegenüberliegend der Skala so angeordnet ist, daß er sich entlang der Meßachse x in Bezug auf die Skala bewegen kann. Der Sensorkopf 2 weist einen Körper 24 aus transparentem Harz auf, der so ausgeformt ist, daß er einen Leiterrahmen 21, einen LED-Chip 22 und einen Chip 23 mit einem lichtempfindlichen Gerät in sich aufweist. Der Körper 14 aus transparentem Harz ist im wesentlichen quaderförmig ausgebildet.

Der LED-Chip 22 ist auf der oberen Oberfläche, die nicht der Skala 11 gegenüberliegt, des Leiterrahmens 21 angebracht, wobei seine Lichtemissionsoberfläche nach oben weist. Der Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät ist auf der unteren Oberfläche des Leiterrahmens 21 angebracht, wobei seine lichtempfindliche Oberfläche nach unten weist. Stromversorgungs- und Signalklemmen des Chips 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät und des LED-Chips 22 sind mit Leitungen 211 des Leiterrahmens 21 über Bondierungsdrähte 34 verbunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein konvexer Abschnitt 25 auf einer Oberfläche vorgesehen, welche der Lichtemissionsoberfläche des LED-Chips 22 gegenüberliegt, des Körpers 24 aus transparentem Harz, wobei dieser Abschnitt zur selben Zeit wie der Körper 24 ausgeformt wird. Der konvexe Abschnitt 25 ist so ausgebildet, daß er eine optische Achse C an einem Ort aufweist, der geringfügig von dem LED-Chip 22 zu dem Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät hin verschoben ist. Der LED-Chip 22 befindet sich nämlich an einem Ort, der um eine Entfernung d gegenüber der optischen Achse C verschoben ist. Ein reflektierender Film 26 aus Al, Ag oder dergleichen ist über dem konvexen Abschnitt 25 vorgesehen. Ein Schnitt des konvexen Abschnitts 25 und des reflektierenden Films 26 bildet einen Konkavspiegel zum Sammeln diffusen Lichts von dem LED-Chip 22. Das Licht von dem LED-Chip 22 wird nämlich an dem konvexen Abschnitt 25 reflektiert, und in Licht umgewandelt, welches die reflektierende Skala 1 in Schrägrichtung beleuchtet.

Bei dem in Fig. 1A gezeigten Beispiel sind der LED-Chip 22 und der Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät um eine bestimmte Entfernung voneinander entfernt in Richtung der Meßachse x innerhalb des Sensorkopfes 2 angeordnet. Die Meßachse x und die Anordnungsbeziehung zwischen dem LED-Chip 22 und dem Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät des Sensorkopfes 2 kann gegenüber dem in Fig. 1A dargestellten Zustand um 90° gedreht werden. Es kann nämlich die Skala 1 in einem derartigen Zustand angeordnet sein, daß die Meßachse x in einer Richtung senkrecht zur Zeichnung in Fig. 1A verläuft. In diesem Fall sind der LED-Chip 22 und der Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät um eine vorbestimmte Entfernung voneinander in der Richtung senkrecht zur Meßachse x angeordnet.

Indexgitter 31 sind auf der lichtempfindlichen Oberfläche des Chips 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät vorgesehen, sowie ein Muster zum Detektieren des Ursprungs. Die Indexgitter 31 können allerdings weggelassen werden, wenn der Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät einen Array in Form eines lichtempfindlichen Gerätes aufweist, der auch als Indexgitter dient.

Fig. 2A ist eine Aufsicht, welche ein Hauptteil eines Beispiels für den Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät zeigt, und Fig. 2B ist eine entsprechende Querschnittsansicht entlang der Linie A-A'. Photodioden PDa, PDb, PDab und PDbb sind in einem Siliziumsubstrat 230 vorgesehen, um Quadraturphasenverschiebungsausgangssignale der Phase A, der Phase B, der Phase AB und der Phase BB zu erhalten. Das Siliziumsubstrat 230 ist mit einem Isolator 231 abgedeckt, auf welchem Quadraturphasenindexgitter 31a, 31b, 31ab und 31bb an Positionen vorgesehen sind, welche der jeweiligen Photodiode PDa, PDb, PDab und PDbb entsprechen. Die Indexgitter 31a, 31b, 31ab und 31bb sind so ausgebildet, daß sie um jeweils 90° gegeneinander mit demselben Gitterteilungsabstand verschoben sind, wie der Gitterteilungsabstand λ der Skalengitter 11 auf der Skala 1 beträgt.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung in einem Fall eines derartigen Arrays aus einem lichtempfindlichen Gerät, bei welchem der Chip 23 mit dem lichtempfindlichen Gerät keine Indexgitter verwendet. Photodioden PD sind in einem Siliziumsubstrat 240 so ausgebildet, daß sie in Form eines Arrays mit einem Teilungsabstand von 3 λ/4 in Bezug auf den Gitterteilungsabstand λ der Skala 1 angeordnet sind, um einen Array PDA eines lichtempfindlichen Gerätes auszubilden, damit man Quadraturphasenverschiebungsausgangssignale der Phase A, der Phase BB, der Phase AB und der Phase B erhält.

Bei dieser Ausführungsform sind an beiden Rändern des Sensorkopfes 2 Metallriegel 33 vorgesehen, die mit dem Körper 24 aus transparentem Harz vereinigt sind.

Der reflektierende Film 26 ist ebenfalls über dem konvexen Abschnitt 25 des Teils 24 aus transparentem Harz in dem Sensorkopf 2 vorgesehen, wie dies bereits voranstehend geschildert wurde. Ein lichtundurchlässiger Film aus einer Epoxyfarbe oder dergleichen ist über den Oberflächen des Körpers 24 aus transparentem Harz mit Ausnahme des konvexen Abschnitts 25 und jener Oberfläche vorgesehen, welche der Skala 1 gegenüberliegt. Dies ermöglicht es, zu verhindern, daß sich Rauschen infolge von Außenlicht den Verschiebungsausgangssignalen überlagert.

Der konvexe Abschnitt 25 ist bei der vorliegenden Ausführungsform speziell als Kugeloberfläche mit einem Krümmungsradius von R = 6 mm ausgebildet. Alternativ hierzu kann der konvexe Abschnitt 25 als Paraboloid gemäß der Beziehung y² = 12x ausgebildet sein. Der LED-Chip 22 ist so festgelegt, daß er an einem Ort angeordnet ist, der um d = 15 mm gegenüber der Position von R/2 auf der optischen Achse C des konvexen Abschnitts 25 verschoben ist (also der Brennpunktlage). Hierdurch kann der Hauptanteil des diffusen Lichts, welches von dem LED-Chip 22 ausgesandt wird, und an dem konvexen Abschnitt 25 reflektiert wird, in annähernd paralleles Licht umgewandelt werden, das in Schrägrichtung auf die Skala 1 aufgestrahlt werden kann.

Die Größe des Sensorkopfes 2 weist eine Abmessung von etwa 21 mm entlang der Skalenlänge auf, welche die Riegel 33 enthält, wie dies in Fig. 1B gezeigt ist. Seine Breite beträgt etwa 12 mm, und seine Höhe etwa 7 mm, einschließlich eines Luftspaltes von etwa 1,6 mm zwischen dem Kopf und der Skala 1.

Fig. 4 zeigt ein Ergebnis, das beim Simulieren eines Zustands der Skalenbeleuchtung bei der vorliegenden Ausführungsform erhalten wurde. Aus diesem Ergebnis ergibt sich, daß die Skala 1 praktisch gleichförmig innerhalb eines Bereiches mit einer bestimmten Breite X beleuchtet werden kann, welche die optische Achse C enthält.

Fig. 5 zeigt ein Ergebnis, das durch Simulation von Beleuchtungsstärkeverteilungen über der Ebene auf der Skala 1 erhalten wurde. Eine x1-y1-Ebene in Fig. 5 ist die Ebene auf der Skala 1, die parallel zur x-y-Ebene des in Fig. 1B gezeigten Sensorkopfes 2 verläuft. Die Figur zeigt eine gestrichelte Verteilung der Beleuchtungsstärke, und Beleuchtungsverteilungen A und B auf der Achse x1 bzw. y1. Wie aus der Figur hervorgeht, kann die Skala 1 gleichmäßig innerhalb eines Bereiches beleuchtet werden, der durch die Breite X in der Richtung x1 und die Breite Y in der Richtung y1 bestimmt wird. In Fig. 5 zeigen die Kurven a und b die akkumulierte Beleuchtungsstärke.

Wie voranstehend geschildert, wirkt sich der konvexe Abschnitt 25 des Sensorkopfes 2 so aus, daß er die Beleuchtungsstärke in dem beleuchteten Bereich auf der Skala 1 dadurch erhöht, daß er wirksam das diffuse Licht von dem LED-Chip 22 sammelt. Allerdings ist der konvexe Abschnitt 25 nicht unbedingt erforderlich, nämlich wenn die Lichtintensität von dem LED-Chip 22 ausreichend hoch ist. In einem Fall, in welchem der konvexe Abschnitt 25 nicht vorgesehen ist, wird das diffuse Licht von dem LED-Chip 22 direkt reflektiert, an dem reflektierenden Film 26, und auf die Skala 1 aufgestrahlt, also in Form diffusen Lichts.

Wie voranstehend geschildert, kann durch die vorliegende Erfindung ein extrem kompakter und dünner Sensorkopf zur Verfügung gestellt werden, der einen LED-Chip und einen Chip mit einem lichtempfindlichen Gerät enthält, die beide in ein transparentes Harz eingeformt sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden nackte Chips ausgeformt. Daher ist es einfach, automatische Herstellungsverfahren und Massenproduktion ohne komplizierte Herstellungsverfahren zu erreichen. Darüber hinaus kann eine erhöhte Verläßlichkeit erzielt werden, da die Positionsbeziehung und die optische Achse des LED-Chips und des Chips mit dem lichtempfindlichen Gerät durch die Konstruktion des Leiterrahmens und der Form festgelegt werden können, und keine spätere Einstellung nötig ist.

Nachdem die mit der vorliegenden Erfindung verträglichen Ausführungsformen beschrieben wurden, werden Fachleuten auf diesem Gebiet weitere Ausführungsformen und Abänderungen auffallen, die mit der vorliegenden Erfindung verträglich sind. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht so angesehen werden, daß sie auf die geschilderten Ausführungsformen beschränkt ist, da sich Wesen und Umfang der Erfindung aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergeben und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein sollen.

Claims

1. Optische Verschiebungsdetektoreinrichtung, welche aufweist: eine reflektierende Skala, auf welcher Skalengitter mit einem bestimmten Teilungsabstand vorgesehen sind; und einen Sensorkopf, der in Bezug auf die reflektierende Skala bewegt werden kann, um Licht auf die reflektierende Skala auszusenden, und von der reflektierenden Skala reflektiertes Licht zu empfangen, um ein Verschiebungssignal zu erzeugen, wobei der Sensorkopf aufweist:
einen Leiterrahmen;
einen LED-Chip, der auf dem Leiterrahmen angebracht ist, und eine Lichtemissionsoberfläche zur Beleuchtung der reflektierenden Skala aufweist;
einen Chip mit einem lichtempfindlichen Gerät, der auf dem Leiterrahmen an einem von dem LED-Chip getrennten Ort angebracht ist, und der eine lichtempfindliche Oberfläche zum Empfang des reflektierten Lichts von der reflektierenden Skala aufweist, wobei die lichtempfindliche Oberfläche des Chips mit dem lichtempfindlichen Gerät und die Lichtemissionsoberfläche des LED-Chips in entgegengesetzten Richtungen liegen;
einen Körper aus transparentem Harz, der so ausgeformt ist, daß in ihm abgedichtet der LED-Chip und der Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät, die auf dem Leiterrahmen angebracht sind, aufgenommen sind und
einen reflektierenden Film, der auf der Oberfläche des Körpers aus transparentem Harz vorgesehen ist, um von dem LED-Chip ausgesandtes Licht zu reflektieren, um die reflektierende Skala zu beleuchten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus transparentem Harz im wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist, wobei bei dem Quader ein konvexer Abschnitt auf einer Oberfläche vorgesehen ist, welche der Lichtemissionsoberfläche des LED-Chips gegenüberliegt, und der reflektierende Film auf dem konvexen Abschnitt vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Abschnitt so ausgebildet ist, daß er eine optische Achse an einem Ort aufweist, die von dem LED-Chip zu dem Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät hin in dem Körper aus transparentem Harz verschoben ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Abschnitt eine Kugeloberfläche ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Abschnitt ein Paraboloid ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus transparentem Harz weiterhin einen lichtundurchlässigen Film aufweist, der auf Oberflächen mit Ausnahme einer Oberfläche vorgesehen ist, welche der reflektierenden Skala und dem konvexen Abschnitt gegenüberliegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät aufweist:
ein Halbleitersubstrat;
mehrere lichtempfindliche Geräte, die in dem Halbleitersubstrat vorgesehen sind;
einen Isolierfilm, welcher die mehreren lichtempfindlichen Geräte abdeckt; und
Indexgitter, die auf dem Isolatorfilm entsprechend jedem der mehreren lichtempfindlichen Geräte vorgesehen sind, mit unterschiedlichen Phasen in Bezug auf die Skalengitter.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip mit dem lichtempfindlichen Gerät einen Array aus einem lichtempfindlichen Gerät aufweist, bei welchem mehrere lichtempfindliche Geräte in Form eines Arrays mit einem Teilungsabstand vorgesehen sind, der von dem Teilungsabstand der Skalengitter verschieden ist.