JP2020144037A - 光学モジュール及び光学式エンコーダ - Google Patents

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Abstract

【課題】製造が容易で、かつ光源からの側面光をより確実に遮蔽することを可能とする。【解決手段】固定基板と、前記固定基板上に固着され、貫通孔が形成されたセンサ基板と、前記貫通孔内に位置するように前記固定基板上に固着された発光素子と、を備え、前記センサ基板は、受光素子と、前記受光素子と前記貫通孔との間であって前記貫通孔の周囲に形成されたダミー受光素子とを有し、前記受光素子と前記ダミー受光素子とは、前記センサ基板の表層に形成された同じ導電型の不純物拡散層からなり、前記ダミー受光素子の深さが前記受光素子の深さよりも大きい光学モジュール。【選択図】図６

Description

本発明は、光学モジュール及び光学式エンコーダに関する。
サーボモータの回転量、回転速度、及び回転方向を検出するために光学式エンコーダが用いられている。光学式エンコーダには、スケールを透過した光を検出する透過型と、スケールで反射した光を検出する反射型とがある。特に、反射型の光学式エンコーダは、小型化・薄型化が可能であるため、近年広く使用されている。
反射型の光学式エンコーダとして、受光素子を有するセンサ基板の中央に貫通孔を設け、この凹部や貫通孔にＬＥＤ（Light-Emitting Diode）等の光源を配置した構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このように、光源をセンサ基板の貫通孔に配置した場合には、光源の上面から射出された光がスケールにより反射され、反射光がセンサ基板の受光素子によって受光される。
特許第４０２１３８２号
ＬＥＤ等の光源は、上面だけではなく側面からも光の漏れが生じるため、光源をセンサ基板の貫通孔内に配置した場合には、光源の側面から漏れ出た光（側面光）がセンサ基板に直接入射してしまう。また、センサ基板は半導体基板により形成されるため、センサ基板は側面から入射する当該側面光を受光してしまう。この側面光の受光はセンサ基板内にノイズ電流を発生させることになる。特許文献１には、センサ基板の貫通孔の側壁に、アルミニウム等の金属薄膜により遮光部材を設けることが記載されている。
しかしながら、特許文献１に記載のように金属薄膜で遮光部材を設けるには、遮光部材を形成するための製造工程を追加する必要があり、製造コストが嵩む。
また、貫通孔内に光源を配置するには、光源及びセンサ基板を固定基板上に固定する必要がある。光源の側面から射出された側面光は、固定基板とセンサ基板との界面で反射し、センサ基板の裏面側からセンサ基板内に入射する可能性もある。
本発明は、製造が容易で、かつ光源からの側面光をより確実に遮蔽することを可能とする光学モジュール及び光学式エンコーダを提供する。
開示の技術は、固定基板と、前記固定基板上に固着され、貫通孔が形成されたセンサ基板と、前記貫通孔内に位置するように前記固定基板上に固着された発光素子と、を備え、前記センサ基板は、受光素子と、前記受光素子と前記貫通孔との間であって前記貫通孔の周囲に形成されたダミー受光素子とを有し、前記受光素子と前記ダミー受光素子とは、前記センサ基板の表層に形成された同じ導電型の不純物拡散層からなり、前記ダミー受光素子の深さが前記受光素子の深さよりも大きい光学モジュールである。
本発明によれば、製造が容易で、かつ光源からの側面光をより確実に遮蔽することができる。
第１実施形態に係る光学式エンコーダの概略構成を示す平面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿う縦断面図である。 第１の受光素子群と外部端子との電気的な接続関係を示す図である。 第２の受光素子群と外部端子との電気的な接続関係を示す図である。 光学モジュール全体の等価回路を示す図である。 発光素子及びセンサ基板の層構造を示す概略断面図である。 第１変形例に係る光学モジュールの構造を示す概略断面図である。 第２変形例に係る光学モジュールの構造を示す概略断面図である。 第４変形例に係る光学モジュールの構造を示す概略断面図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
＜第１実施形態＞
以下に、本発明の第１実施形態に係る反射型の光学式エンコーダついて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光学式エンコーダ１の概略構成を示す平面図である。図２は、光学式エンコーダ１を図１中のＡ−Ａ線に沿って切断した縦断面図である。なお、図１に示す平面内における一方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。
図１及び図２に示すように、光学式エンコーダ１は、発光素子１０、センサ基板２０、及び固定基板３０を含む光学モジュールと、スケール４０とを有する。
発光素子１０は、例えばＬＥＤである。発光素子１０は、ｐｎ接合型のダイオードであり、アノード側（ｐ型側）である上面に設けられた光射出窓１１から光を射出する。また、発光素子１０のアノード側の上面には、電源電圧を印加するための端子１２が形成されている。
センサ基板２０は、平面形状が矩形状の半導体基板であり、ほぼ中央部に矩形状の貫通孔２０ａが形成されている。発光素子１０は、貫通孔２０ａ内に配置されている。貫通孔２０ａは、例えばドライエッチングにより形成することができる。貫通孔２０ａの平面形状は矩形状に限られず、円形等の形状であってもよい。
図２に示すように、発光素子１０の上面は、センサ基板２０の上面とほぼ同一面上となっている。発光素子１０及びセンサ基板２０は、固定基板３０上に接着層３１，３２を介してそれぞれ固着されている。固定基板３０は、センサ基板２０より大きい矩形状の絶縁性基板である。
接着層３１，３２は、銀ペースト等の導電性接着剤からなる。発光素子１０は、カソード側（ｎ型側）である下面が、接着層３１を介して固定基板３０に固着されている。なお、本実施形態では、センサ基板２０を固定基板３０に接着する接着層３２は、絶縁性であってもよい。
固定基板３０には、発光素子１０のカソードにグランド電位を付与するための銅（Ｃｕ）等からなる内部配線３３が形成されている。この内部配線３３は、一部が固定基板３０の上面から露出しており、この露出部分が接着層３１を介して発光素子１０の下面（カソード）に電気的に接続されている。内部配線３３は、固定基板３０の下面側に設けられた外部端子３３ａ，３３ｂに接続されている。
発光素子１０の上面に設けられた端子１２は、センサ基板２０の上面に設けられた電極パッド２４にボンディングワイヤ５０を介して接続されている。
スケール４０は、ガラス等の透明基板に金属薄膜等によって所定のパターンが形成された反射板である。発光素子１０から射出された光は、スケール４０によって一部が反射されてセンサ基板２０に入射する。センサ基板２０は、スケール４０によって変調された光を検出する。
図１に示すように、センサ基板２０には、第１の受光素子群２１と、第２の受光素子群２２とが設けられている。第１の受光素子群２１は、所定のピッチでＸ方向に配列された複数の受光素子２１ａからなるアブソリュート検出用の受光素子群である。第２の受光素子群２２は、第１の受光素子群２１とは異なるピッチでＸ方向に配列された複数の受光素子２２ａからなるインクリメンタル検出用の受光素子群である。詳しくは後述するが、受光素子２１ａ及び受光素子２２ａは、それぞれｐｎ接合型のフォトダイオードである。
また、センサ基板２０には、貫通孔２０ａの周囲に、貫通孔２０ａを囲うようにダミー受光素子２３が形成されている。すなわち、ダミー受光素子２３は、発光素子１０と、第１の受光素子群２１及び第２の受光素子群２２との間に配置されている。ダミー受光素子２３は、ｐｎ接合型のフォトダイオードであり、主に、発光素子１０の側面から漏れ出た側面光を受光する。
センサ基板２０の上面には、Ｙ方向に平行な辺に沿って、複数の電極パッド２５が形成されている。各電極パッド２５は、センサ基板２０の表面上に形成された配線層（図示せず）を介して、第１の受光素子群２１、第２の受光素子群２２、ダミー受光素子２３等に接続されている。
固定基板３０の上面には、センサ基板２０の各電極パッド２５に対向する位置に電極パッド３５が形成されている。電極パッド２５と、当該電極パッド２５に対向する電極パッド３５とは、ボンディングワイヤ５１を介して接続されている。電極パッド２５及び電極パッド３５は、アルミニウム等により形成されている。電極パッド２５、電極パッド３５、及びボンディングワイヤ５１は、樹脂５２によって封止されている。
各電極パッド３５は、銅等からなる配線３６を介して固定基板３０の下面に形成された外部端子３７に接続されている。外部端子３７は、第１の外部端子３７ａと、第２の外部端子３７ｂと、第３の外部端子３７ｃと、第４の外部端子３７ｄと、第５の外部端子３７ｅとに分類される。
第１の外部端子３７ａは、第１の受光素子群２１からアブソリュート検出用の検出信号を取得するための検出端子である。第２の外部端子３７ｂは、第２の受光素子群２２からインクリメンタル検出用の検出信号を取得するための検出端子である。第３の外部端子３７ｃは、ダミー受光素子２３のアノード側（ｐ型側）にグランド電位（ＧＮＤ）を付与するためのグランド端子である。
第４の外部端子３７ｄは、第１の受光素子群２１に含まれる各受光素子２１ａ、第２の受光素子群２２に含まれる各受光素子２２ａ、及びダミー受光素子２３のカソード側（ｎ型側）に電源電圧（ＶＣＣ）を供給して、各受光素子を構成するフォトダイオードを逆バイアスとするための電源端子である。第５の外部端子３７ｅは、発光素子１０のアノード側に電源電圧（ＶＣＣ）を供給するための電源端子である。
図３は、第１の受光素子群２１に含まれる各受光素子２１ａと、第１の外部端子３７ａ及び第４の外部端子３７ｄとの電気的な接続関係を示す図である。図３に示すように、各第１の外部端子３７ａは、第１の受光素子群２１に含まれるいずれか１つの受光素子２１ａに接続されている。第１の外部端子３７ａにより得られる検出信号により、絶対位置情報を検出することができる。
図４は、第２の受光素子群２２に含まれる各受光素子２２ａと、第２の外部端子３７ｂ及び第４の外部端子３７ｄとの電気的な接続関係を示す図である。図４に示すように、各第２の外部端子３７ｂは、第２の受光素子群２２に含まれる受光素子２２ａのうちの２つの受光素子２２ａに接続されている。具体的には、各第２の外部端子３７ｂは、受光素子２２ａの配列ピッチの４倍の距離が離れた２つの受光素子２２ａに接続されている。第２の外部端子３７ｂにより得られる検出信号により、相対位置情報を検出することができる。
図５は、光学モジュール全体の等価回路を示す図である。図５に示すように、発光素子１０は、順バイアスとされることにより発光する。発光素子１０から射出された光は、逆バイアスとされた受光素子２１ａ及び受光素子２２ａにより受光される。また、発光素子１０から射出された光のうちの側面光は、逆バイアスとされたダミー受光素子２３により受光されて吸収される。
図６は、発光素子１０及びセンサ基板２０の層構造を示す概略断面図である。図６は、光学モジュールのＹ方向に沿った断面を概略的に示している。
図６に示すように、本実施形態では、センサ基板２０は、ｎ型半導体基板（例えば、シリコン基板）により形成されている。受光素子２１ａ及び受光素子２２ａは、ｎ型半導体基板の表層にｐ型不純物をドーピングすることにより形成されたｐ型拡散層からなる。受光素子２１ａ及び受光素子２２ａを構成する各ｐ型拡散層の表面から深さは、ほぼ同一である。このｐ型拡散層の深さをＤ１とする。
同様に、ダミー受光素子２３は、ｎ型半導体基板の表層にｐ型不純物をドーピングすることにより形成されたｐ型拡散層からなる。すなわち、ダミー受光素子２３は、受光素子２１ａ及び受光素子２２ａと同じ導電型の不純物拡散層により構成されている。
ダミー受光素子２３は、貫通孔２０ａを囲うリング状の領域に形成されている。また、ダミー受光素子２３を構成するｐ型拡散層の表面からの深さＤ２は、深さＤ１よりも大きい。すなわち、Ｄ２＞Ｄ１である。ｐ型拡散層の深さは、不純物をイオン注入する際の加速電圧を制御することにより決定することができる。
受光素子２１ａ，２２ａ及びダミー受光素子２３は、逆バイアスとされることにより、周囲のｐｎ接合領域に生じる空乏層ＤＬが広がる。ダミー受光素子２３は、貫通孔２０ａ内からセンサ基板２０内に侵入した光により生じるキャリアを吸収する作用を有する。
発光素子１０は、ｐ型層とｎ型層との間に層状の発光層１３を有するので、発光層１３からは、上面以外に、側面からも光が射出される。この側面光の光量は、発光素子１０が射出する全体の光量の数パーセント程度である。このような側面光がセンサ基板２０内に侵入し、受光素子２１ａ，２２ａの空乏層ＤＬに達すると、ノイズ電流が生じてＳ／Ｎの低下をもたらすことになるが、本実施形態では、センサ基板２０内に侵入した側面光の大部分がダミー受光素子２３によって吸収されるので、ノイズ電流の発生が抑制される。
また、センサ基板２０内に侵入した側面光は、センサ基板２０の下面や接着層３２の表面で反射する可能性があるが、本実施形態では、ダミー受光素子２３を、受光素子２１ａ，２２ａよりも深い位置まで形成しているので、このような反射光もダミー受光素子２３により吸収され、ノイズ電流の発生が抑制される。
以上のように、本実施形態によれば、従来のように貫通孔の側壁に遮光部材を設けることなく、センサ基板２０内に形成したダミー受光素子２３で側面光を遮蔽（吸収）することができる。ダミー受光素子２３は、受光素子２１ａ，２２ａと同じ導電型の不純物拡散層で構成されているので、受光素子２１ａ，２２ａ等と同一の製造工程で作成することができ、ダミー受光素子２３を形成するための製造工程を追加する必要はない。したがって、本実施形態によれば、製造が容易で、かつ光源からの側面光をより確実に遮蔽することが可能となる。
また、ダミー受光素子２３の不純物濃度は、受光素子２１ａ，２２ａと同程度であってもよいが、ダミー受光素子２３の不純物濃度を受光素子２１ａ，２２ａの不純物濃度よりも高くしてもよい。これにより、ダミー受光素子２３による光の吸収率が向上する。
以下に、上記実施形態の各種変形例について説明する。
＜第１変形例＞
図７は、第１変形例に係る光学モジュールの構造を示す概略断面図である。本変形例は、センサ基板２０の構成が異なること以外は、第１実施形態と同様の構成である。
本変形例に係るセンサ基板２０は、ダミー受光素子２３（第１のダミー受光素子）に加えて、センサ基板２０の下面側に第２のダミー受光素子６０が形成されている。第２のダミー受光素子６０は、第１のダミー受光素子２３と同じ導電型の不純物拡散層により形成されている。本変形例では、第２のダミー受光素子６０は、ｐ型拡散層により構成されている。第２のダミー受光素子６０は、第１のダミー受光素子２３と同様に、貫通孔２０ａを囲うリング状の領域に形成されている。
第２のダミー受光素子６０を逆バイアスとすることに、第２のダミー受光素子６０を構成するｐ型拡散層の周囲に生じる空乏層ＤＬが広がる。このように、第１のダミー受光素子２３に加えて第２のダミー受光素子６０を設けることにより、発光素子１０からセンサ基板２０に侵入する側面光をより確実に遮蔽（吸収）することができる。
なお、第２のダミー受光素子６０は、第１のダミー受光素子２３と接続されていてもよい。また、第２のダミー受光素子６０は、第１のダミー受光素子２３と不純物濃度が異なっていてもよい。
＜第２変形例＞
図８は、第２変形例に係る光学モジュールの構造を示す概略断面図である。本変形例は、固定基板３０の構成が異なること以外は、第１実施形態と同様の構成である。第１実施形態では、受光素子２１ａ，２２ａを逆バイアスとするために、第４の外部端子３７ｄからセンサ基板２０の上面側に形成された配線層（図示せず）を介してセンサ基板２０のｎ型領域に電源電圧（ＶＣＣ）を供給している。
本変形例に係る固定基板３０は、センサ基板２０の下面側からｎ型領域に電源電圧を供給するための貫通電極７０を有している。この貫通電極７０は、導電性の接着層３２を介してセンサ基板２０の下面側に電気的に接続される。貫通電極７０は、固定基板３０の下面から露出しており、電源電圧を印加するための電源端子として機能する。
なお、第２変形例で説明した第２のダミー受光素子６０に電源電圧を供給するために、本変形例に係る固定基板３０を用いてもよい。
＜第３変形例＞
第１実施形態では、図６に示すように、センサ基板２０としてｎ型半導体基板を用いているが、ｎ型半導体基板に代えて、ｐ型半導体基板を用いてもよい。この場合、受光素子２１ａ，２２ａ及びダミー受光素子２３をｎ型拡散層で構成すればよい。
センサ基板２０としてｐ型半導体基板を用いた場合には、受光素子２１ａ，２２ａ及びダミー受光素子２３を逆バイアスとするにはｐ型領域にグランド電位を付与すればよい。したがって、この場合、センサ基板２０の固定基板３０側がアノードとなり、発光素子１０の固定基板３０側がカソードとなるので、センサ基板２０の下面と発光素子１０の下面とに、固定基板３０から共通の電極を介して、グランド電位を付与することが可能となる。これにより、接着層３１と接着層３２とを１つの導電性接着層とすることができる。
なお、逆に、センサ基板２０の固定基板３０側をカソード、発光素子１０の固定基板３０側をアノードとするように、発光素子１０の導電型を逆にしてもよい。この場合、センサ基板２０の下面と発光素子１０の下面とに、固定基板３０から共通の電極を介して、電源電圧を供給すればよい。
＜第４変形例＞
図９は、第４変形例に係る光学モジュールの構造を示す概略断面図である。本変形例は、センサ基板２０の構成が異なること以外は、第１実施形態と同様の構成である。第１実施形態では、図６に示すように、ダミー受光素子２３を構成する不純物拡散層を、受光素子２１ａ，２２ａを構成する不純物拡散層より深く形成しているが、本変形例では、両者を同程度の深さとする。
また、本変形例に係るセンサ基板２０では、センサ基板２０を固定基板３０に固着させるための接着層３２を、光吸収部材を含む導電性接着剤とする。本変形例における接着層３２としては、接着性を有する遮光シートを用いることができる。
このように、接着層３２を、光吸収部材を含む導電性接着剤とすることにより、ダミー受光素子２３を深くすることなく、センサ基板２０の下面や接着層３２の表面で反射する反射光を抑制することができる。
なお、上記実施形態及び変形例では、発光素子１０としてＬＥＤを用いているが、半導体レーザを用いることも可能である。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
１ 光学式エンコーダ、１０ 発光素子、１１ 光射出窓、１２ 端子、１３ 発光層、２０ センサ基板、２０ａ 貫通孔、２１ 第１の受光素子群、２１ａ 受光素子、２２ 第２の受光素子群、２２ａ 受光素子、２３ ダミー受光素子（第１のダミー受光素子）、２４，２５，３５ 電極パッド、３０ 固定基板、３１，３２ 接着層、３３ 内部配線、３５ 電極パッド、３６ 配線、３７ａ 第１の外部端子、３７ｂ 第２の外部端子、３７ｃ 第３の外部端子、３７ｄ 第４の外部端子、３７ｅ 第５の外部端子、４０ スケール、５０，５１ ボンディングワイヤ、５２ 樹脂、６０ 第２のダミー受光素子、７０ 貫通電極

Claims (7)

  1. 固定基板と、
    前記固定基板上に固着され、貫通孔が形成されたセンサ基板と、
    前記貫通孔内に位置するように前記固定基板上に固着された発光素子と、
    を備え、
    前記センサ基板は、受光素子と、前記受光素子と前記貫通孔との間であって前記貫通孔の周囲に形成されたダミー受光素子とを有し、
    前記受光素子と前記ダミー受光素子とは、前記センサ基板の表層に形成された同じ導電型の不純物拡散層からなり、前記ダミー受光素子の深さが前記受光素子の深さよりも大きい光学モジュール。
  2. 前記センサ基板は半導体基板であって、
    前記受光素子と前記ダミー受光素子とは、逆バイアスとされたｐｎ接合型のフォトダイオードである請求項１に記載の光学モジュール。
  3. 前記発光素子は、ＬＥＤである請求項２に記載の光学モジュール。
  4. 前記センサ基板は前記固定基板側がカソードであり、前記発光素子は前記固定基板側がカソードである請求項３に記載の光学モジュール。
  5. 前記ダミー受光素子を構成する不純物拡散層は、前記受光素子を構成する不純物拡散層よりも不純物濃度が高い請求項１ないし４いずれか１項に記載の光学モジュール。
  6. 固定基板と、
    前記固定基板上に固着され、貫通孔が形成されたセンサ基板と、
    前記貫通孔内に位置するように前記固定基板上に固着された発光素子と、
    を備え、
    前記センサ基板は、受光素子と、前記受光素子と前記貫通孔との間であって前記貫通孔の周囲に形成されたダミー受光素子とを有し、
    前記受光素子と前記ダミー受光素子とは、前記センサ基板の表層に形成された同じ導電型の不純物拡散層からなり、前記センサ基板は、光吸収部材を含む導電性の接着層を介して前記固定基板に固着されている光学モジュール。
  7. 請求項１ないし６いずれか１項に記載の光学モジュールと、
    反射型のスケールと、
    を備えた光学式エンコーダ。
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