DE29718469U1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH . 15. Oktober 1997

Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Längen- oder Winkelmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Meßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeuges bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstückes sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und Abmessungen von Prüfobjekten eingesetzt. Dabei wird eine relativ zu einer Abtasteinheit verschiebbare Maßverkorperung lichtelektrisch abgetastet, indem das Licht einer Lichtquelle durch die Relativver-Schiebung zwischen der Maßverkorperung und eines Abtastgitters moduliert wird und dieses modulierte Licht von Photodetektoren erfaßt wird. Die Photodetektoren liefern somit positionsabhängige elektrische Abtastsignale, die mittels einer Auswerteeinheit - insbesondere einer Interpolationseinheit und eines Zählers - in bekannter Weise weiterverarbeitet werden.

Aus der US 4,840,488 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der versucht wurde, die Abtasteinheit kompakt aufzubauen. Gemäß Figur 10 der US 4,840,488 wird dies dadurch versucht, daß das Abtastgitter auf einer Seite eines transparenten Trägers aufgebracht ist und die

Photodetektoren auf der anderen Seite dieses Trägers angeordnet sind. Dabei sind die Photodetektoren auf einem stabilen Leitungsrahmen befestigt und kontaktiert und diese Baueinheit wird vergossen und danach erst mit dem Träger des Abtastgitters verbunden.
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Diese Anordnung hat den Nachteil, daß jeder der Photodetektoren relativ zu dem Leitungsrahmen positioniert werden muß und dieser Leitungsrahmen wiederum zu dem Träger des Abtastgitters korrekt zu positionieren ist. Darüber hinaus ist der Leitungsrahmen schwierig herstellbar.

Man hat versucht, diese Nachteile zu vermeiden, indem alle Photodetektoren in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert werden und das Abtastgitter direkt auf die Oberfläche der Photodetektoren aufgebracht wurde. Eine derartige Positionsmeßeinrichtung ist aus der DE-40 06 789-A1 bekannt. Bei dieser Positionsmeßeinrichtung sind im Halbleitersubstrat auch noch weitere elektrische Schaltkreise, wie Vorverstärkung, Vergleich der Ausgangssignale oder Intensitätsregelung der Lichtquelle integriert.

Der Nachteil einer derartigen Meßeinrichtung besteht darin, daß das Halbleitersubstrat mit dem direkt aufgebrachten Abtastgitter individuell entsprechend der Teilungsperiode der abzutastenden Maßverkörperung gefertigt werden muß. Es ist bekannt, daß die Teilungsperiode des Abtastgitters an die Teilungsperiode der Maßverkörperung angepaßt werden muß. Weiterhin ist die Oberfläche der Photodetektoren bei der Aufbringung des Abtastgitters chemischen Prozessen ausgesetzt, wodurch die elektrischen Eigenschaften des Halbieitersubstrats nachteilig beeinflußt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und kostengünstig herstellbar ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Detektoranordnung der Positionsmeßeinrichtung durch einfache, aus der Halbleiterfertigung bekannte Verfahren hergestellt werden kann. Wesentlich dabei ist, daß die Photodetektoren unabhängig von der Teilungsperiode der

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abzutastenden Maßverkörperung hergestellt werden können und somit auch als Massenartikel günstig eingekauft und auf Lager gehalten werden können. Nur das kostengünstige herstellbare Abtastgitter der Abtastplatte muß individuell entsprechend der Teilungsperiode der Maßverkörperung unabhängig davon gefertigt werden. Die Verbindung der Abtastplatte mit den Photodetektoren erfolgt mit einfachen Mitteln, wobei die Abtastplatte auch die Funktion einer Leiterplatte übernimmt.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 schematisch einen Schnitt einer Positionsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung;

Figur 2 die Detektoranordnung mit den Photodetektoren sowie

der Abtastplatte und der Abtastteilung gemäß Figur 1 in vergrößerter Darstellung;

Figur 3 eine Photodiode im Schnitt und
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Figur 4 einen Phototransistor im Schnitt.

Die in Figur 1 dargestellte Positionsmeßeinrichtung weist eine Lichtquelle 1 auf, deren Licht von einer Linse 2 kollimiert wird und durch die Relativver-Schiebung in Meßrichtung X zwischen einer Abtasteinheit und einer Maßverkörperung 4 positionsabhängig moduliert wird. Die Maßverkörperung 4 ist eine inkrementale Teilung in Form von abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Strichen auf einer Oberfläche eines transparenten Maßstabes 5 aus Glas.

Die Abtasteinheit beinhaltet eine Abtastteilung 3, die ebenfalls eine inkrementaie Teilung in Form von abwechselnd lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Strichen ist. Gemäß der Erfindung ist diese Abtastteilung 3 auf einer Oberfläche eines transparenten Trägers 6 aufgebracht, wobei auf diesem Träger 6 Photodetektoren 7.1 bis 7.4 zum Empfang des modulierten Lichtes L aufgebracht und mit elektrischen Leitungen 8 des Trägers 6 kontaktiert sind.

Die Photodetektoren 7.1 bis 7.4 sind in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 7 eingebracht. Im dargestellten Beispiel sind in dem gemeinsamen Halbleitersubstrat 7 vier Photodetektoren 7.1. bis 7.4 in Form von lichtempfindlichen pn-Übergängen vorgesehen. Zur Herstellung eines pn-Überganges werden die bekannten Verfahren der Halbieitertechnik angewandt. Als Halbleitersubstrat 7 kommen Materialien wie beispielsweise Germanium (Ge), Silizium (Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAIAs) oder Indium-Phosphit (InP) in Frage. Durch Bestrahlung eines pn-Überganges wird die elektromagnetische Strahlung L in elektrische Signale umgewandelt. Das Halbleitersubstrat 7 enthält in bevorzugter Weise auch integrierte Schaltkreise 7.5 zur Verarbeitung dieser elektrischen Signale. Diese Schaltkreise 7.5 können beispielsweise Verstärker, Vergleicher, Digitalisier- oder Interpolationsschaltungen sein. In Figur 2 ist ein derartiger Schaltkreis 7.5 schematisch als Verstärker dargestellt.

Eine Oberfläche des Halbleitersubstrats 7 weist elektrische Anschlußkontakte 13 auf, die in Richtung des Trägers 6 weisen. Auf der Seite des Trägers 6, auf der das Halbleitersubstrat 7 vorgesehen ist, sind auf der Oberfläche des Trägers 6 elektrische Leiterbahnen 8 aufgebracht, die mit den Anschußkontakten 13 einen direkten elektrischen Kontakt haben. Die Leiterbahnen 8 sind Schichten, die durch bekannte Lithographieverfahren aufgedampft, aufgesputtert und/oder aufgalvanisiert wurden. Die Kontaktierung der Anschlußkontakte 13 mit den Leiterbahnen 8 erfolgt bevorzugt mittels Lötung, insbesondere Reflow-Lötung oder mittels elektrisch leitendem Klebstoff. Die Anschlußkontakte 13 werden auch bonding pads genannt und sind

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mit gold bumps versehen. Alle mit den Leiterbahnen 8 zu kontaktierenden Anschlußkontakte 13 befinden sich auf der Seite der lichtempfindlichen Seite der Photodetektoren 7.1 bis 7.4 und stehen somit den Leiterbahnen 8 direkt gegenüber. Dadurch wird es ermöglicht, daß alle Anschlußkontakte 13 durch einen einzigen Verfahrensschritt mit den Leiterbahnen 8 kontaktiert werden. Diese Methode der Kontaktierung ist in der Elektrotechnik auf dem Gebiet „chip on glass" unter dem Begriff „Flip-Chip" bekannt. Das bedeutet, daß Halbleiter-Bauelemente - also chips - direkt und somit ohne Gehäuse und ohne zusätzlichen Träger auf einer Leiterplatte kontaktiert und montiert werden. Diese Montage ist besonders stabil und einfach, da kein Drahtbonden erforderlich ist.

In Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht der Detektoranordnung, bestehend aus dem transparenten Träger 6, der Abtastteilung 3, den Leiterbahnen 8 sowie dem Halbleitersubstrat 7 mit den Photodetektoren 7.1 bis 7.4 und dem integrierten Schaltkreis 7.5 dargestellt.

Die Leiterbahnen 8 des Trägers 6 dienen auch zur elektrischen Verbindung mit Leiterbahnen 9 einer Leiterplatte 10.

Die Photodetektoren 7.1 bis 7.4 sind bevorzugt Photodioden oder Phototransistoren. Anstelle eines gemeinsamen Halbleitersubstrats 7 mit mehreren Photodetektoren 7.1 bis 7.4 können auch mehrere einzelne Photodetektoren als Einzelbauelemente auf dem Träger 6 positioniert und kontaktiert werden. Derartige Einzelbauelemente sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Figur 3 zeigt eine Photodiode 11 mit einem lichtempfindlichen pnübergang und zwei Anschlußkontakten 13. Figur 4 zeigt einen Phototransistor 12 bekannten Aufbaus mit drei Anschlußkontakten 13.

Aus den Figuren 1 bis 4 ist ersichtlich, daß bei den Photodetektoren 7.1 bis 7.4 sowie 11,12 alle benötigten Anschlußkontakte 13 auf der lichtempfindlichen Seite zur Verfügung stehen. Die erfindungsgemäße Kontaktierung mit dem Träger 6 ist daher auch diesbezüglich besonders vorteilhaft, da kein Drahtbonden erforderlich ist.

Bei den Ausführungen gemäß Figur 1 und 2 äst die Abtastteilung 3 auf einer Seite des Trägers 6 und die Leiterbahnen 8 sowie die Photodetektoren 7.1 bis 7,4 sind auf der gegenüberliegenden Seite aufgebracht. In nicht gezeigter Weise kann die Abtastteilung auch auf der Seite der Leiterbahnen 8 vorgesehen sein.

Die Abtastteilung 3 besteht in bekannter Weise aus vier Gruppen, wobei die Teilungen der einzelnen Gruppen einen gegenseitigen Phasenversatz von 90° aufweisen. Jede Gruppe besteht aus mehreren in Meßrichtung X voneinander beabstandeten lichtundurchlässigen Strichen, die einer lichtempfindlichen Fläche eines Photodetektors 7.1 bis 7.4, 11,12 gegenüber steht.

Der Träger 6 kann auch aus transparentem Mylar, Plastik oder anderen transparenten Materialien bestehen.

Die Erfindung ist bei lichtelektrischen Längen- oder Winkeimeßeinrichtungen einsetzbar, wobei die Abtastung der Maßverkörperung 4 im Durchlicht- oder Aufiicht-Abtastverfahren erfolgen kann. Die Maßverkörperung 4 kann dabei inkrementaler oder absoluter Art sein.

Claims (7)

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 15. Oktober 1997 Ansprüche

1. Positionsmeßeinrichtung mit:

einem Maßstab (5) mit einer Teilung (4);

einer Lichtquelle (1) zur Beleuchtung der Teilung (4) des Maßstabes (5); einer Abtasteinheit, die zur Erzeugung von positionsabhängigen Meßsignalen relativ zum Maßstab (5) in Meßrichtung X verschiebbar ist, und Photodetektoren (7.1 bis 7.4) sowie ein Abtastgitter (3) enthält;
die Abtasteinheit einen transparenten Träger (6) aufweist, auf dem die Photodetektoren (7.1 bis 7.4) und das Abtastgitter (3) angeordnet sind und ein Üchtstrahlenbündei (L) der Lichtquelle (1) von der Teilung (4) des Maßstabes (5) positionsabhängig moduliert wird, das modulierte Lichtbündel (L) auf das Abtastgitter (3) der relativ zum Maßstab (5) verschiebbaren Abtasteinheit triftt und weiter auf die Photodetektoren (7.1 bis 7.4) zur Umwandlung des positionsabhängig modulierten Lichtbündels (L) in elektrische Meßsignale geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche des transparenten Trägers (6) Leiterbahnen (8) aufgebracht sind, mit denen die Photodetektoren (7.1 bis 7.4) elektrisch verbunden sind, indem auf der lichtempfindlichen Seite der Photodetektoren (7.1 bis 7.4) angebrachte Anschlußkontakte (13) Flächenbereichen der Leiterbahnen (8) gegenüberstehen und mit den Leiterbahnen (8) kontaktiert sind.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Leiterbahnen (8) kontaktierten Anschlußkontakte (13) direkt auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats (7) der Photodetektoren (7.1 bis 7.4) angebracht sind.

3. Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastteilung (3) auf einer Seite des transparenten Trägers (6) und die Leiterbahnen (8) sowie die Photodetektoren (7.1 bis 7.4) auf der anderen gegenüberliegenden Seite des transparenten Trägers (6) angeordnet sind.

4. Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoren (7.1 bis 7.4) in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (7) ausgebildet sind.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleitersubstrat (7) zumindest ein elektrischer Schaltkreis (7.5) zur Verarbeitung der elektrischen Abtastsignale integriert ist.

6. Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Träger (6) aus Glas besteht.

7. Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastteilung (3) und die Leiterbahnen

(8) durch Beschichtung einer Oberfläche des transparenten Trägers (6) aufgebracht sind.