JP3963885B2 - 反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド - Google Patents

反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド Download PDF

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Description

本発明は、周期的な光学パターンを有するスケールと組み合わされて反射型光学式エンコーダーを構成するセンサヘッドに関する。
現在、工作機械のステージや３次元計測定器などにおいては直線方向の変位量を検出するための、また、サーボモータなどにおいては回転角を検出するための、光学式や磁気式などのいわゆるエンコーダーが利用されている。
光学式エンコーダーは、一般に、ステージなどの変位検出対象物に固定されたスケールと、このスケールの変位を検出するためのセンサヘッドとで構成されている。センサヘッドはスケールに光を照射する発光部と、スケールにより変調された光ビームを検出するための光検出部とを有しており、受光した光ビームの強度変化によってスケールの移動を検出している。
従来技術による代表的な光学式エンコーダーについて図１７を用いて説明する。図１７は、光源であるＬＥＤと反射型スケールを用いた光学式エンコーダーのひとつの従来例を示している。このようなＬＥＤと反射型スケールを用いた光学式エンコーダーは例えば特開平１１−１０１６６０号公報に開示されている。
この光学式エンコーダーは、図１７に示されるように、反射型のスケール５０２と、ＬＥＤ５２０と光検出器５３３を含むセンサヘッド５０１とで構成されている。スケール５０２の表面には周期的な光学パターンが形成されている。この光学パターンは例えばガラスなどの透明な部材の表面にクロムなどの金属薄膜をパターニングすることにより形成されている。センサヘッド５０１は透明な素子基板５３０を有しており、この素子基板５３０上には光源スリット５３４が形成されている。光検出器５３３は、この透明な素子基板５３０に固定され、樹脂成形ブロック５１０の表面に形成された配線５１２を経由して、配線５４０と電気的に接続されている。また、ＬＥＤ５２０は樹脂成形ブロック５１０に形成された素子埋め込み用孔に固定されている。ＬＥＤ５２０から延びる電極５２１は樹脂成形ブロック５１０の表面に形成された配線５１２を経由して配線５４０に接続されている。
スケール５０２は、図示しないステージなどの変位検出対象物に固定されており、変位検出対象物と一緒にセンサヘッド５０１に対して相対的に移動する。センサヘッド５０１は、スケール５０２により変調された光ビームの強度変化に基づいて、スケール５０２の移動量や移動方向を検出する。センサヘッド５０１からの出力信号は、例えば図１６に示されるような波形として出力される。ここで、Ａ相信号とＢ相信号は、スケール５０２の移動に伴って出力される一対の波形で、一般的には擬似的な正弦波である。Ａ相信号とＢ相信号は、互いに位相が９０度異なっており、Ａ相信号とＢ相信号の位相関係からスケール５０２の移動方向を検出することが可能である。
次に、この従来技術の動作について説明する。
ＬＥＤ５２０は、電極５２１と配線５１２と配線５４０を経由して電源に接続されており、電源からの電流供給に応じて光ビームを射出する。この光ビームは、光源スリット５３４と素子基板５３０を通り、スケール５０２に入射する。スケール５０２で反射された光ビームは光検出器５３３により検出される。このとき、光源スリット５３４のピッチ、ＬＥＤの５２０発光波長、スケール５０２上に形成された周期パターンのピッチ、センサヘッド５０１とスケール５０２との間隔などが所定の関係にあるとき、スケール５０２に形成された周期的な光学パターンと相似な明暗パターンが光検出器５３３上に投影される。従って、光検出器５３３は、このような周期的な明暗パターンを検出し、位相差が９０度の一対の信号であるＡ相信号とＢ相信号を生成する。
この明暗パターンのピッチｐ2は、次の（１）式により算出される。
ｐ2＝ｐ1×（ｚ1＋ｚ2）／ｚ1 … （１）
ここで、ｐ1はスケール５０２上に形成された光学パターンのピッチ、ｚ1は光源スリット５３４とスケール５０２の間隔、ｚ2はスケール５０２と光検出器５３３の受光面との間隔である。
（１）式においてｚ1とｚ2が等しい場合、以下の（２）式の関係が成立する。
ｐ2＝２×ｐ1 … （２）
つまり、スケール５０２に対する光源スリット５３４の距離と光検出器５３３の距離とを等しくすれば、スケール５０２とセンサヘッド５０１の間隔が変化しても、明暗パターンのピッチｐ2は変化しないため、より安定な検出が可能となる。言い換えると、安定な検出のためには、光源スリット５３４と光検出器５３３とのスケール５０２に対する高さをなるべく等しくすることが望ましい。この明暗パターンはスケール５０２の移動に伴って光検出器５３３上を移動するため、この明暗パターンの動きを検出することでスケール５０２の移動を検出することが可能となる。
光学式エンコーダーは、高精度、高分解能、非接触式であり、かつ電磁波障害耐性に優れるなどの特徴を有しているため、さまざまな分野で利用されている。特に高精度、高分解能を要する用途においては、光学式エンコーダーの使用が主流となっている。
特開平１１−１０１６６０号公報
上述した光学式エンコーダーでは、以下のような不具合がある。
一般にセンサヘッド５０１を取り付ける場合、スケール５０２とセンサヘッド５０１の位置関係を精密に調整する必要があるため、センサヘッド５０１の底面（図１７において上側の面）を当て付け面として利用することが多い。しかし、前述のセンサヘッドでは、ＬＥＤ５２０の電極５２１が樹脂成形ブロック５１０の底面に形成されているため、電極５２１が樹脂成形ブロック５１０の底面より突出している。このため、センサヘッドを取り付ける際に高さのずれや傾きを生じやすい。
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、その底面を当て付け面として良好に利用可能な反射型光学式エンコーダーのセンサヘッドを提供することである。
本発明は、周期的な光学パターンを有するスケールと組み合わされて反射型光学式エンコーダーを構成するセンサヘッドであり、スケールに照射される光ビームを射出する光源と、前記スケールによって反射され変調された光ビームを検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器を内包するパッケージとを有しており、前記パッケージは、外側底面が平らな箱状の筐体と、少なくとも一部に光を透過する部位を持つ蓋部材とからなり、前記光源は前記筐体の内面に固定され、前記光検出器は前記蓋部材の内面に固定されている。前記光検出器は半導体基板に形成されており、前記半導体基板は前記光源を駆動するための光源駆動回路を有している。前記光源と前記光源駆動回路は、前記筐体の内面と前記蓋部材の内面とに形成された電気配線を介して前記筐体と前記蓋部材の接続部分で互いに電気的に接続されており、従って、前記光源と前記光源駆動回路を接続している電気配線はパッケージ外面に露出していない。
本発明によれば、その底面を当て付け面として良好に利用可能な反射型光学式エンコーダーのセンサヘッドが提供される。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
第一実施形態
本実施形態は、本発明のセンサヘッドを含む反射型光学式エンコーダーに向けられている。図１は、本発明の第一実施形態の反射型光学式エンコーダーを示している。図２は、図１に示されたセンサヘッドの上面図である。図３は、図１に示されたセンサヘッドの斜視図である。
図１に示されるように、本実施形態の反射型光学式エンコーダーは、移動検出対象物に固定される反射型のスケール１１０と、スケール１１０の移動を検出するためのセンサヘッド１２０とで構成されている。
反射型のスケール１１０は、その表面に周期的な光学パターンを有している。このような反射型のスケール１１０は、例えば、ガラスなどの透明な部材の表面にクロムなどの金属薄膜をパターニングして作られる。
センサヘッド１２０は、スケール１１０に照射される光ビームを射出する光源１２１と、スケール１１０によって反射され変調された光ビームを検出する光検出器１２３と、光源１２１と光検出器１２３を内包するパッケージとを有している。
パッケージは、外側底面が平らな箱状の筐体１３０と、少なくとも一部に光を透過する部位を有する蓋部材１２９とからなる。光源１２１は筐体１３０の内側の空間内に固定されている。光検出器１２３は半導体基板１２５に形成されており、半導体基板１２５は蓋部材１２９の内面に固定されている。半導体基板１２５には、光検出器１２３に加えて、光源１２１を駆動するための光源駆動回路１２２や、光検出器１２３からの信号を処理する信号処理回路などが形成されている。
蓋部材１２９は、これに限定されないが、例えば、ガラス板からなる。筐体１３０は、好ましくは遮光性の部材からなる。
蓋部材１２９は、図２や図３に示されるように、その内面に複数の配線からなる配線パターン１３４を備えている。配線パターン１３４は、半導体基板１２５の電極と電気的に接続されている。つまり、配線パターン１３４は、半導体基板１２５内の光検出器１２３や光源駆動回路１２２や信号処理回路などと電気的に接続されている。
筐体１３０は、図１に示されるように、その内面に配線パターン１３２を備えている。配線パターン１３２は、光源１２１の電極と電気的に接続されている。筐体１３０の配線パターン１３２は、蓋部材１２９と筐体１３０とが組み立てられた状態において、光源駆動回路１２２と電気的に接続されている配線パターン１３４中の配線と電気的に接続される。つまり、光源１２１は、配線パターン１３２と配線パターン１３４中の特定の配線とを経由して、半導体基板１２５内の光源駆動回路１２２と電気的に接続されている。
蓋部材１２９の内面には、さらに、光源スリット１２７が形成されている。光源スリット１２７は、蓋部材１２９と筐体１３０とが組み立てられた状態において、光源１２１からスケール１１０に向かう光ビームの光路上に位置する。
図３に示されるように、筐体１３０は、その外側側面を通り外側裏面に延びている複数の電極端子１３３を有している。電極端子１３３は、蓋部材１２９と筐体１３０とが組み立てられた状態において、蓋部材１２９に形成された配線パターン１３４中の光源１２１と接続されている配線を除く他の配線と電気的に接続される。電極端子１３３は、配線パターン１３４を経由して、半導体基板１２５内の光検出器１２３や光源駆動回路１２２や信号処理回路などと電気的に接続される。電極端子１３３は、半導体基板１２５内の光検出器１２３や光源駆動回路１２２や信号処理回路などへの電力の供給や、半導体基板１２５内の信号処理回路の出力信号の取り出しに利用される。
このように構成された本実施形態のセンサヘッド１２０においては、光源１２１と光検出器１２３を内包するパッケージの一部を構成している筐体１３０の外側底面が平らであるため、この筐体１３０の外側底面をセンサヘッド取り付けのための基準面すなわち当て付け面とすることが可能である。
筐体１３０の外側底面には、前述したように、電極端子１３３が延びているが、電極端子１３３は、センサヘッド取り付けのための基準面としての平坦さを損ねない程度に十分に薄く形成されている。
また、光源１２１と光源駆動回路１２２とを電気的に接続している配線（配線パターン１３２と配線パターン１３４中の特定の配線）はパッケージの外に露出していない。このため、その配線に埃や導体などが接触して光源１２１の正常動作が妨げられたり、静電気などによって光源１２１が破壊されたりする心配がない。
蓋部材１２９と筐体１３０との接続部は電気的な接続を得る必要があるため、いずれかの部材の電極上にバンプなどを形成して取り付けられるが、十分な機械的強度を得るために、接着剤などを用いてより強固な接着強度を得るようにするとよい。その際、蓋部材１２９と筐体１３０の間を接着剤などで完全に封止してもよく、あるいは、蓋部材１２９と筐体１３０の間の一部に開口を残しておいてもよい。筐体１３０と蓋部材１２９の間を封止した場合、光源１２１と半導体基板１２５が気密に保たれるため、外部の雰囲気の変化の影響を受けないので、集積回路の信頼性が向上する。また、筐体１３０と蓋部材１２９の間に開口を残した場合、内部と外部の温湿度が常に同等となり、高温時や真空時にパッケージ内部の圧力が上昇することがない。
次に、本実施形態における光検出器１２３について説明する。図４は、図１〜図３に示された光検出器を拡大して示した平面図である。図４に示されるように、光検出器１２３は、複数の受光部１２４が一次元に配列された受光部群（受光領域）を有している。各受光部１２４は、周期ｐ2を有する明暗パターンの９０度ずつ位相の異なる四つの位相部分を検出可能なように、それぞれが、周期ｐ2ごとに電気的に接続された四つのグループ、（＋Ａ）、（＋Ｂ）、（−Ａ）、（−Ｂ）にグループ分けされている。これら四つのグループが検出する信号は、互いに９０度ずつ位相が異なっており、例えば（＋Ａ）と（−Ａ）は位相が１８０度異なる反転信号の関係になっている。そして、図１６のＡ相信号、Ｂ相信号は、図示されない信号処理回路により、Ａ相信号＝（＋Ａ）−（−Ａ）、Ｂ相信号＝（＋Ｂ）−（−Ｂ）のように演算され出力される。
本実施形態においては、四つのグループ（＋Ａ）、（＋Ｂ）、（−Ａ）、（−Ｂ）のそれぞれの受光部１２４が周期ｐ2で一次元に配列されている光検出器１２３を想定しているが、実際には、光検出器１２３は、周期ｐ2の所定の位相部分を検出可能であれば、どのような構成であってもよい。すなわち、周期ｐ2で配列されている受光部１２４のうちの一部を選び出して用いることが可能である。例えば、一つ置きに選び出した場合は、実際に使用される受光部１２４は周期ｐ2の２倍の周期を有するものとなるが、このような構成であっても構わない。さらには、周期ｐ2の整数倍の周期を有するものであれば、使用することができる。また、周期性を有して選び出す必要もない。ただし、一つ一つの受光部１２４のスケール移動方向の幅は、周期ｐ2以下であるべきで、望ましくは、周期ｐ2の半分以下であるべきである。
次に、蓋部材１２９と半導体基板１２５の接続方法の一例について説明する。図５は、図１に示された蓋部材１２９と半導体基板１２５を拡大して示した断面図である。
図５に示されるように、半導体基板１２５の電極部分にＡｕなどによりバンプ１３８を形成する。この半導体基板１２５を蓋部材１２９上にいわゆるフリップチップ実装技術を用いて半導体基板１２５を蓋部材１２９上に、バンプ１３８と配線パターン１３４とが電気的に接続されるように接続する。このとき、半導体基板１２５と蓋部材１２９との間に接着剤や異方導電性ペーストなどの接着部材１４２を塗布して接続の強化を図るとよい。このように構成することで、接着部材１４２が補強部材として働き、半導体基板１２５の蓋部材１２９に対する機械的接着強度が大きくなるばかりでなく、半導体基板１２５の動作により発生した熱を、接着部材１４２を経由して蓋部材１２９側に逃がすことが可能となる。
次に、このように構成された反射型エンコーダーの動作原理について説明する。
本実施形態においては、スケール１１０はセンサヘッド１２０に対して、いわゆるタルボットイメージを形成可能な位置関係を維持しながら変位するため、光検出器１２３には、スケール１１０上に形成された周期パターンと相似な明暗パターンが投影され、明暗パターンはスケール１１０の移動に伴って光検出器１２３上を移動する。このため、この明暗パターンの動きを検出することでスケール１１０の動きを検出することが可能となる。
タルボットイメージについて説明する。ここでは簡単のため、透過型エンコーダーを想定して説明を行なうが、反射型エンコーダーにおいても全く同様の議論が成立する。
図６に示すように、各構成パラメータを以下のように定義する。ｚ0は点光源２０１とスケール２０２上の回折格子を形成した面との距離、ｚ2はスケール２０２上の回折格子を形成した面と光検出器２０３との距離、ｐ1はスケール２０２上の回折格子のピッチ、ｐ2は光検出器２０３の受光面上に投影される明暗パターンのピッチである。
光の回折理論によると、上記のように定義されるｚ0、ｚ2が以下の（３）式の関係を満たす特定の関係にあるとき、また、それに近い関係にあるとき、スケール２０２の回折格子パターンと相似な明暗パターン、いわゆるタルボットイメージが光検出器２０３の受光面上に生成される。
（１／ｚ0）＋（１／ｚ2）＝λ／（ｋｐ1 2） … （３）
ここで、λは点光源２０１から射出される光ビームの波長、ｋは整数である。
本実施形態においては、図６に示される点光源２０１の位置に光源スリット１２７が配置されており、光源スリット１２７の開口部を、図６の点光源２０１と見なすことができる。この光源スリット１２７を式（４）の間隔Ｐslitとすることで、タルボットイメージを光検出器１２３上に形成することが可能となる。
Ｐslit＝ｐ1×（ｚ0＋ｚ2）／Ｚ2 … （４）
本実施形態においては、各パラメータが、このタルボットイメージを生成、検出可能なように構成されているため、この動きを検出することでスケール１１０の動きを検出することが可能となる。
前述したように、本実施形態のセンサヘッド１２０においては、光源１２１と光検出器１２３を内包するパッケージの一部を構成している筐体１３０の外側底面が平らであるため、この筐体１３０の外側底面をセンサヘッド取り付けのための基準面すなわち当て付け面とすることが可能である。
また、光源１２１と光源駆動回路１２２とを電気的に接続している配線（配線パターン１３２と配線パターン１３４中の特定の配線）はパッケージの外に露出していないため、その配線に埃や導体などが接触して光源１２１の正常動作が妨げられたり、静電気などによって光源１２１が破壊されたりする心配がない。
また、光源スリット１２７は蓋部材１２９の、光検出器１２３が配置される面に形成されており、光検出器１２３の形成された半導体基板１２５はバンプ１３８を介して蓋部材１２９に固定されているため、スケール１１０に対する光検出器１２３と光源スリット１２７の高さは十分に小さく配置されている。従って、センサヘッド１２０とスケール１１０の間のギャップが変化しても、光検出器１２３上に投影される明暗パターンのピッチｐ2は常にスケールピッチの２倍となるため、本実施形態の光学式エンコーダーはギャップ変動に対して影響を受けにくい。
さらに、本実施形態においては、光源１２１と半導体基板１２５とが別の部材に固定されているため、半導体基板１２５は、光源１２１に対して熱的にも影響を受けにくい。
一般に、光源１２１は発光することで熱を発生し、半導体基板１２５は温度変化によりその特性が変化する。従って、光源１２１と半導体基板１２５が近接していたり、同一部材に固定されていたりする場合には、半導体基板１２５は、光源１２１が発する熱の影響を受けて、動作が不安定になりやすい。これは小型化を進める上で特に顕著となる。
本実施形態においては、光源１２１と半導体基板１２５とが別の部材、すなわち、蓋部材１２９と筐体１３０とにそれぞれ固定されているため、半導体基板１２５は光源１２１の発熱の影響を比較的受けにくい。また、筐体１３０の底面を取り付けのための基準面すなわち当て付け面として図示しない固定台座などに固定した場合、光源１２１から発生した熱は筐体１３０を経由して固定台座へ放出されて、半導体基板１２５に熱が伝わりにくいため、特に小型化に適した構造であると言える。
第二実施形態
本実施形態は、第一実施形態のセンサヘッドの改良に向けられている。本実施形態のセンサヘッドの各部材の構成は、第一実施形態と同様であり、基本的な動作も第一実施形態と同様である。図７は、本発明の第二実施形態のセンサヘッドの半導体基板の周辺部分の上面図である。図中、図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
図７に示されるように、本実施形態においては、第一実施形態と比較して、半導体基板１２５と蓋部材１２９との間に塗布される接着部材１４２が、光検出器１２３の受光部群（受光領域）を除く領域の一部のみに塗布されている。
接着部材１４２は半導体基板１２５のほぼ全面に塗布されており、光検出器１２３の受光部群（受光領域）の近傍のみに空隙１４４が設けられている。
一般に、光検出器１２３を構成するフォトディテクタは、応力などのなんらかの外力を受けると、その特性が変化することが知られている。フォトディテクタの表面に接着部材１４２が塗布されると、硬化時の応力や、温度変化による膨張率の違いなどから、フォトディテクタに応力が加わる。本実施形態では、光検出器１２３を避けて接着部材１４２が塗布されているため、このような応力が直接的にフォトディテクタに加わらない。このため、フォトディテクタをより安定に動作させることが可能となる。
次に、この空隙１４４の設け方について説明する。第一の方法としては、接着部材１４２を、マスクとスキージなどを用いて半導体基板１２５の表面に所望の形状となるよう印刷することである。また、スタンプなどを用いて必要な場所のみに接着部材１４２を塗布してもよい。さらに、初めにポリイミドなどにより光検出器１２３を取り囲むように壁を設け、その周りに接着剤などの接着部材１４２を塗布することで、後の実装工程などで接着剤がフォトディテクタ上に流れ込むことを防止してもよい。
なお、図７においては、接着部材１４２の塗布範囲を、半導体基板１２５上に限定して図示したが、フォトディテクタ上に接着部材１４２が着かなければ、半導体基板１２５よりも広い範囲に塗布されても構わないし、逆に一部であっても構わない。また、半導体基板１２５上に複数の光検出器１２３があるような場合には、それぞれの光検出器１２３の部分を独立に、島状の空隙１４４を設けても構わないし、ひと繋がりの空隙１４４に複数の光検出器１２３が配置されるように構成されても構わない。
本実施形態のセンサヘッドにおいては、光検出器１２３を構成するフォトディテクタに加わる応力が小さく抑えられるため、より安定に動作する反射型光学式エンコーダーを構成することが可能となる。
第三実施形態
本実施形態は、第一実施形態のセンサヘッドの改良に向けられている。本実施形態のセンサヘッドの各部材の構成は、第一実施形態と同様であり、基本的な動作も第一実施形態と同様である。図８は、本発明の第三実施形態のセンサヘッドの半導体基板の周辺部分の上面図である。図中、図２に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
図８に示されるように、本実施形態においては、蓋部材１２９上の少なくとも一部に遮光部材１４６が形成されている。遮光部材１４６は、光源スリット１２７や配線パターン１３４の形成されている蓋部材１２９の面上に形成されている。遮光部材１４６は、光源スリット１２７や配線パターン１３４と同じ部材により形成されている。すなわち、蓋部材１２９の表面にクロムやアルミなど導電性のある薄膜を成膜し、これを一般的なフォトリソ技術によってパターニングすることにより、配線パターン１３４と光源スリット１２７と遮光部材１４６とが蓋部材１２９上に同時に形成される。このようにすることにより製造工程が軽減される。
遮光部材１４６は、光源スリット１２７と配線パターン１３４を除いた蓋部材１２９上の領域であって、光検出器１２３の受光部群（受光領域）に入射する光ビームを遮らない領域のうちの遮光部材形成可能な領域に形成されている。この遮光部材１４６は、可能な限り蓋部材１２９の透明領域のうちの遮光部材形成可能な領域の全面に設けられることが望ましいが、一部のみであってもその効果を得ることが可能である。
本実施形態のセンサヘッドにおいては、光検出器１２３の周辺に光ビームが入射することにより発生する非信号成分や回路部の誤動作やノイズなどが軽減されるため、より安定な検出を行なえる反射型光学式エンコーダーを構成することが可能となる。
第四実施形態
本実施形態は、第一実施形態のセンサヘッドの改良に向けられている。本実施形態のセンサヘッドの各部材の構成は、第一実施形態と同様であり、基本的な動作も第一実施形態と同様である。図９は、本発明の第四実施形態のセンサヘッドの横断面図である。図中、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
図９に示されるように、本実施形態においては、箱状の筐体１３０の内側の空間であって、半導体基板１２５の下方に位置する部分にコンデンサや抵抗などの電気素子１２６が配置されている。
電気素子１２６は筐体内面に設けられた配線パターン１３２と電気的に接続されており、筐体内面に設けられた配線パターン１３２と蓋部材１２９上に設けられた配線パターン１３４を経由して半導体基板１２５の電極に電気的に接続されている。
電気素子１２６は、例えば、電源とグランド間に接続される発振防止のためのコンデンサや、基準となる電位や電流を生成するための抵抗や、コイルなどであり、さまざまな用途に応用することができる。このとき、電気素子１２６と半導体基板１２５とを接続するための配線パターン１３２と配線パターン１３４は、電源やグランドに接続される場合は、筐体１３０の電源またはグランド端子を経由して外部に露出するが、筐体１３０の外部に露出する必要のない場合は外部に露出しないようにするとよい。
図１０は、本発明の第四実施形態の変形例のセンサヘッドの横断面図である。図中、図９に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。
図１０に示されるように、本変形例のセンサヘッドにおいては、筐体１３０の内側の空間に半導体基板１２５ｂが配置されている。この半導体基板１２５ｂには、例えばエンコーダーの信号を処理する信号処理回路や位相分割回路、エラー検出回路など、エンコーダーのセンサヘッドに搭載すべきさまざまな回路を集積化することが可能である。また、半導体基板１２５に光源駆動回路を搭載しない場合には、半導体基板１２５ｂに光源駆動回路を搭載してもよい。なお、図１０では、半導体基板１２５ｂの取り付けは、半導体基板１２５と同様のフリップチップ実装としたが、通常のワイヤボンディングなども含めさまざまな実装技術を用いることが可能である。
なお、図９と図１０において、配線パターン１３２はどこにも接続されていないように見えるものもあり、また、半導体基板上に形成されたバンプが電極に接続されていないように見えるものもあるが、これは図面作成における便宜上このように記載したものであり、実際には半導体基板１２５上の所望の電極に接続されている。
本実施形態とその変形例のセンサヘッドにおいては、さまざまな目的で利用される電気素子１２６や半導体基板１２５ｂを、センサヘッド１２０のサイズを大きくすることなくパッケージ内の空間を利用して搭載することが可能となる。また、これらの電気素子１２６や半導体基板１２５ｂとヘッドを接続するための配線をパッケージ外部に接続する必要が無いため、パッケージの電極数を最小とすることが可能である。
第五実施形態
本実施形態は、第一実施形態のセンサヘッドの改良に向けられている。本実施形態のセンサヘッドの各部材の構成は、第一実施形態と同様であり、基本的な動作も第一実施形態と同様である。図１１は、本発明の第五実施形態のセンサヘッドの横断面図である。図中、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
図１１に示されるように、本実施形態においては、光源１２１から射出された光ビームが直接的に光検出器１２３の形成された半導体基板１２５に照射される領域の少なくとも一部に遮光部材１２８が配置されている。より具体的には、半導体基板１２５の光源１２１と対向する面に遮光部材１２８が設けられている。
一般に、光ビームが半導体基板１２５に照射されたとき、その照射領域がフォトディテクタ以外の領域であっても半導体基板１２５内にキャリアが発生する。このキャリアは半導体基板１２５内部を移動し、その一部はフォトディテクタに流れ込むため、あたかもフォトディテクタ内で発生したキャリアのように検出される場合がある。すなわち、フォトディテクタ以外の領域に照射された光ビームによるキャリアがフォトディテクタにより検出されてしまうため、これが光検出器１２３から出力される信号成分にノイズとして影響してしまう。
光源１２１から半導体基板１２５に照射される光ビームのうち、スケール１１０を経由して光検出器１２３に入射する光ビームの強度に対して、光源１２１から半導体基板１２５の端部に直接照射される光ビームの強度は比較的大きい。従って、半導体基板１２５の端部に直接入射した光ビームにより多数のキャリアが発生し、光検出器１２３のフォトディテクタによって検出されてしまう。このため、信号成分の検出が不安定となったり、検出誤差が大きくなったりする。
このため、本実施形態では、遮光部材１２８を半導体基板１２５の側面に取り付けることにより、光源１２１から射出した光ビームが半導体基板１２５の側面に照射される光ビームを遮光している。このとき、遮光部材１２８は光ビームを十分に遮光するものであれば何であっても構わない。すなわち、透明でない樹脂や金属板、セラミックなどでもよい。また、金属片などを含んだ塗料を塗布したり、透明でない接着剤を塗布して硬化させたりしてもよい。
本実施形態のセンサヘッドにおいては、光源１２１から射出される光ビームが半導体基板１２５に直接照射されることが良好に防止される。このため、信号光に対する外光の影響が低く抑えられる。従って、より安定な信号を出力する反射型光学式エンコーダーを構成することが可能となる。
図１２は、本発明の第五実施形態の変形例のセンサヘッドの横断面図である。図中、図１１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。
本変形例のセンサヘッドにおいては、図１２に示されるように、遮光部材１２８ｂが光源１２１の半導体基板１２５に面する側に設けられている。本変形例においても本実施形態と同様の利点が得られる。
図１３は、本発明の第五実施形態の別の変形例のセンサヘッドの横断面図である。図中、図１１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材である。
本変形例のセンサヘッドにおいては、図１３に示されるように、遮光部材１２８ｃが、光源１２１と半導体基板１２５の双方に接するように設けられている。本変形例においても本実施形態と同様の利点が得られる。また、本変形例では、遮光部材１２８ｃは光源１２１と半導体基板１２５の間隔を一定にするためのスペーサも兼ねている。
また、特に図示しないが、さらに別の変形例として、遮光部材は、筐体１３０の内面に固定され、光源１２１にも半導体基板１２５にも接しないように配置されてもよい。
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさまざまな変形や変更が施されてもよい。
これまで述べてきた実施形態においては、一つの光源１２１と一つの光検出器１２３を有するセンサヘッドを例示したが、センサヘッドは、図１４に示されるように、一つの光源１２１と、二つの光検出器、例えば、Ａ相信号とＢ相信号の検出用の光検出器１２３ａと基準位置検出用の光検出器１２３ｂを有していてもよい。また、センサヘッドは、図１５に示されるように、Ａ相信号とＢ相信号の検出用の光検出器１２３ａと基準位置検出用の光検出器１２３ｂに加えて、Ａ相信号とＢ相信号の検出用の光源１２１ａと基準位置検出用の光源１２１ｂを有していてもよい。
このようにＡ相信号とＢ相信号の検出用の光検出器１２３ａと基準位置検出用の光検出器１２３ｂとを有するセンサヘッドに対しては、Ａ相信号とＢ相信号の検出用の周期的な光学パターンと基準位置検出用の基準位置トラック上に形成された基準位置パターンとを有しているスケールが組み合わされる。このように構成された光学式エンコーダーにおいては、周期的な光学パターンを経由した光ビームはＡ相信号とＢ相信号の検出用の光検出器１２３ａに入射し、基準位置パターンを経由した光ビームは基準位置検出用の光検出器１２３ｂに入射する。
これまで述べてきた実施形態において、光源１２１にはさまざまな種類の光源を適用することができる。例えば、光源１２１にＬＥＤを用いることにより、低価格と高性能の両立を図ることが可能でなる。また、光源１２１に、可干渉性が優れているＲＣ−ＬＥＤやＳＬＤを用いることにより、特に特性の優れたエンコーダーを構成することが可能である。これらのほかにも、面発光レーザや、ストライプ型の半導体レーザ、電流狭窄型のＬＥＤなどの光源を使用することにより、目的に応じたエンコーダーを構成することが可能でなる。
まとめ
１． 周期的な光学パターンを有するスケールと組み合わされて反射型光学式エンコーダーを構成するセンサヘッドであり、
スケールに照射される光ビームを射出する光源と、
前記スケールによって反射され変調された光ビームを検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器を内包するパッケージとを有しており、
前記パッケージは、外側底面が平らな箱状の筐体と、少なくとも一部に光を透過する部位を持つ蓋部材とからなり、前記光源は前記筐体の内面に固定され、前記光検出器は前記蓋部材の内面に固定されている、反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、パッケージの外側底面が平らであるため、この面を取り付けのための基準面すなわち当て付け面とすることが可能である。
なお、第１項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
２． 前記光検出器は半導体基板に形成されており、前記半導体基板は前記光源を駆動するための光源駆動回路を有しており、前記光源と前記光源駆動回路は、前記筐体の内面と前記蓋部材の内面とに形成された電気配線を介して互いに電気的に接続されており、従って、前記光源と前記光源駆動回路を接続している電気配線はパッケージ外面に露出していない、第１項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源と光源駆動回路とが一緒にパッケージ内部に収めらており、光源と光源駆動回路を接続している電気配線がパッケージ外部に露出していないため、静電気などによって光源などが破壊される心配がない。
なお、第２項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
３． 前記蓋部材は、前記光源から射出された光ビームが前記スケールに向かう光路上に、透光部と遮光部を有する光源スリットを有している、第１項または第２項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
回折パターンを用いるエンコーダーにＬＥＤなどの光源を用いる場合、光源に光源スリットを設ける必要がある。このセンサヘッドにおいては、光源スリットを蓋部材上に形成しているため、光源スリットと光検出器との段差を小さく抑えることができる。これにより、特にギャップ変動に強いエンコーダーを構成することが可能となる。
なお、第３項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
４． 前記光検出器と前記蓋部材の間の少なくとも一部に補強部材が設けられている、第３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光検出器の取り付け強度が増すため、機械的強度に優れている。
なお、第４項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
５． 前記補強部材は、前記光検出器の受光領域を除く領域の少なくとも一部に設けられた樹脂部材である、第４項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、補強部材が光検出器の受光面を外して設けられているため、補強部材に起因する応力の発生や気泡の存在や屈折率のばらつきなどによる光検出器の特性低下が防止される。
なお、第５項の詳細については少なくとも本発明の第二実施形態において述べられている。
６． 前記スケールを経由した後に前記光検出器の受光領域に入射する光ビームが通過する領域を除いた前記蓋部材の領域の少なくとも一部に遮光部が形成されている、第３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源からの光ビームや外光により回路が誤動作したり、特性が変化したりすることを効果的に防止される。このため、より安定なセンサヘッドを提供することが可能となる。
なお、第６項の詳細については少なくとも本発明の第三実施形態において述べられている。
７． 前記半導体基板には、前記光検出器からの出力信号を処理するための信号処理回路がさらに形成されており、前記遮光部は、前記光源駆動回路と前記信号処理回路の少なくとも一方の少なくとも一部を遮光するように配置されている、第６項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源からの光ビームや外光により回路が誤動作したり、特性が変化したりすることが効果的に防止される。このため、より安定なセンサヘッドを提供することが可能となる。
なお、第７項の詳細については少なくとも本発明の第三実施形態において述べられている。
８． 前記光検出器上に形成された電極の少なくとも一部は、前記蓋部材上に形成された配線を経由して前記筐体上に形成された配線電極と電気的に接続されており、前記配線電極の少なくとも一部は、前記筐体の内部または側面を通って前記筐体の裏面に設けられた電極端子と電気的に接続されている、第３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光検出器の電極が筐体の裏面に設けられた電極端子と電気的に接続されているため、表面実装などにも対応している。
なお、第８項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
９． 前記光源から射出された光ビームが直接的に前記光検出器の形成された半導体基板に照射される領域の少なくとも一部に、遮光部材が配置されている、第３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源からの光ビームが半導体基板に直接照射されることが良好に防止されるため、信号光に対する外光の影響が低く抑えられる。
なお、第９項の詳細については少なくとも本発明の第五実施形態において述べられている。
１０． 前記遮光部材は前記光源に接している、第９項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源からの光ビームが半導体基板に直接照射されることが良好に防止されるため、信号光に対する外光の影響が低く抑えられる。
なお、第１０項の詳細については少なくとも本発明の第五実施形態において述べられている。
１１． 前記遮光部材は前記光検出器が形成された半導体基板に接している、第９項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源からの光ビームが半導体基板に直接照射されることが良好に防止されるため、信号光に対する外光の影響が低く抑えられる。
なお、第１１項の詳細については少なくとも本発明の第五実施形態において述べられている。
１２． 前記遮光部材は前記光源と前記光検出器が形成された半導体基板の双方に接している、第９項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源からの光ビームが半導体基板に直接照射されることが良好に防止されるため、信号光に対する外光の影響が低く抑えられる。
なお、第１２項の詳細については少なくとも本発明の第五実施形態において述べられている。
１３． 前記蓋部材と前記筐体の間の少なくとも一部に接着層が設けられている、第３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、筐体と蓋部材間の接合強度が向上する。
なお、第１３項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
１４． 前記蓋部材と前記筐体の間の少なくとも一部に開口が設けられている、第１３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、筐体と蓋部材の間に開口を有しているため、内部と外部の温湿度が同等となる。また、高温時や真空時にパッケージ内部の圧力が上昇することがない。
なお、第１４項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
１５． 前記蓋部材と前記筐体の間が封止されている、第１３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、筐体と蓋部材の間が封止されているため、光源と半導体基板が気密に保たれる。これにより、外部の雰囲気の変化の影響を受けない。また、集積回路の信頼性が向上する。
なお、第１５項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
１６． 前記光源スリットと前記光検出器と前記スケールは、タルボットイメージ検出可能な位置関係に配置されている、第３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、より安定な回折干渉パターンを生成し、検出することが可能となる。
なお、第１６項の詳細については少なくとも本発明の第一実施形態において述べられている。
１７． 前記スケールは、前記周期的な光学パターンに加えて、さらに基準位置トラック上に形成された基準位置パターンを有しており、前記光源スリットは、前記光源から前記周期的な光学パターンに向かう光路上の少なくとも一部に設けられた周期的な複数の開口と、前記光源から前記基準位置パターンに向かう光路上の少なくとも一部に設けられた少なくとも一つの開口とを有している、第３項または第１６項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、スケールの移動量と基準位置を検出することが可能となる。
なお、第１７項の詳細についてはすべての実施形態について説明した後の附記において述べられている。
１８． 前記筐体の内側の空間であって、前記光検出器の下方に位置する部分に電気素子が配置されている、第３項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、パッケージ内の空間を有効利用しているため、小型で高性能で配線数が少ない。
なお、第１８項の詳細については少なくとも本発明の第四実施形態において述べられている。
１９． 前記電気素子は、抵抗素子と容量素子とコイルのうちの少なくとも一種類を含んでいる、第１８項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、パッケージ内の空間を有効利用しているため、小型で高性能で配線数が少ない。
なお、第１９項の詳細については少なくとも本発明の第四実施形態において述べられている。
２０． 前記筐体の内側の空間であって、前記光検出器の下方に位置する部分に半導体集積回路を有している、第１項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、パッケージ内の空間を有効利用しているため、小型で高性能で配線数が少ない。
なお、第２０項の詳細については少なくとも本発明の第四実施形態において述べられている。
２１． 前記半導体集積回路は前記光源を駆動するための光源駆動回路を含んでおり、前記光源と前記光源駆動回路は、前記筐体の内面に形成された電気配線を介して電気的に接続されており、従って、前記光源と前記光源駆動回路を接続している電気配線はパッケージ外面に露出していない、第２０項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、光源と光源駆動回路を接続している電気配線がパッケージ外部に露出していないため、静電気などによって光源などが破壊される心配がない。
なお、第２１項の詳細については少なくとも本発明の第四実施形態において述べられている。
２２． 前記半導体集積回路は、前記光検出器からの出力を信号処理するための信号処理回路をさらに含んでいる、第２１項に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
このセンサヘッドにおいては、パッケージ内の空間を有効利用しているため、小型で高性能で配線数が少ない。
なお、第２２項の詳細については少なくとも本発明の第四実施形態において述べられている。
本発明の第一実施形態の反射型光学式エンコーダーを示している。 図１に示されたセンサヘッドの上面図である。 図１に示されたセンサヘッドの斜視図である。 図１〜図３に示された光検出器を拡大して示した平面図である。 図１に示された蓋部材と半導体基板を拡大して示した断面図である。 タルボットイメージを説明するための透過型エンコーダーのモデルを示している。 本発明の第二実施形態のセンサヘッドの半導体基板の周辺部分の上面図である。 本発明の第三実施形態のセンサヘッドの半導体基板の周辺部分の上面図である。 本発明の第四実施形態のセンサヘッドの横断面図である。 本発明の第四実施形態の変形例のセンサヘッドの横断面図である。 本発明の第五実施形態のセンサヘッドの横断面図である。 本発明の第五実施形態の変形例のセンサヘッドの横断面図である。 本発明の第五実施形態の別の変形例のセンサヘッドの横断面図である。 実施形態のセンサヘッドに代えて本発明が適用可能な別のセンサヘッドの構成を示している。 実施形態のセンサヘッドに代えて本発明が適用可能な別のセンサヘッドの構成を示している。 光学式エンコーダーにおいて一般に取得されるＡ相信号とＢ相信号の波形を示している。 ＬＥＤと反射型スケールを用いた光学式エンコーダーのひとつの従来例を示している。
符号の説明
１１０…スケール、１２０…センサヘッド、１２１…光源、１２１ａ…光源、１２１ｂ…光源、１２２…光源駆動回路、１２３…光検出器、１２３ａ…光検出器、１２３ｂ…光検出器、１２４…受光部、１２５…半導体基板、１２５ｂ…半導体基板、１２６…電気素子、１２７…光源スリット、１２８…遮光部材、１２８ｂ…遮光部材、１２８ｃ…遮光部材、１２９…蓋部材、１３０…筐体、１３２…配線パターン、１３３…電極端子、１３４…配線パターン、１３８…バンプ、１４２…接着部材、１４４…空隙、１４６…遮光部材。

Claims (15)

  1. 周期的な光学パターンを有するスケールと組み合わされて反射型光学式エンコーダーを構成するセンサヘッドであり、
    スケールに照射される光ビームを射出する光源と、
    前記スケールによって反射され変調された光ビームを検出する光検出器と、
    前記光源と前記光検出器を内包するパッケージとを有しており、
    前記パッケージは、外側底面が平らな箱状の筐体と、少なくとも一部に光を透過する部位を持つ蓋部材とからなり、前記光源は前記筐体の内面に固定され、前記光検出器は前記蓋部材の内面に固定されており、前記光検出器は半導体基板に形成されており、前記半導体基板は前記光源を駆動するための光源駆動回路を有しており、前記光源と前記光源駆動回路は、前記筐体の内面と前記蓋部材の内面とに形成された電気配線を介して前記筐体と前記蓋部材の接続部分で互いに電気的に接続されており、従って、前記光源と前記光源駆動回路を接続している電気配線はパッケージ外面に露出していない、反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  2. 前記蓋部材は、前記光源から射出された光ビームが前記スケールに向かう光路上に、透光部と非透光部を有する光源スリットを有しており、さらに前記スケールを経由した後に前記光検出器の受光領域に入射する光ビームが通過する領域を除いた前記蓋部材の領域の少なくとも一部に遮光部が形成されており、前記半導体基板には、前記光検出器からの出力信号を処理するための信号処理回路がさらに形成されており、前記遮光部は、前記光源駆動回路と前記信号処理回路の少なくとも一方の少なくとも一部を遮光するように配置されている、請求項１に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  3. 前記光検出器と前記蓋部材の間の少なくとも一部に補強部材が設けられている、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  4. 前記補強部材は、前記光検出器の受光領域を除く領域の少なくとも一部に設けられた樹脂部材である、請求項３に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  5. 前記光検出器上に形成された電極の少なくとも一部は、前記蓋部材上に形成された配線を経由して前記筐体上に形成された配線電極に前記筐体と前記蓋部材の接続部分で電気的に接続されており、前記配線電極の少なくとも一部は、前記筐体の外側面を通って前記筐体の裏面に設けられた電極端子と電気的に接続されている、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  6. 前記光源から射出された光ビームが直接的に前記光検出器の形成された半導体基板に照射される領域の少なくとも一部に、遮光部材が配置されている、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  7. 前記遮光部材は前記光源に接している、請求項６に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  8. 前記遮光部材は前記光検出器が形成された半導体基板に接している、請求項６に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  9. 前記遮光部材は前記光源と前記光検出器が形成された半導体基板の双方に接している、請求項６に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  10. 前記蓋部材と前記筐体の間の少なくとも一部に接着層が設けられている、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  11. 前記蓋部材と前記筐体の間の少なくとも一部に開口が設けられている、請求項１０に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  12. 前記筐体の内側の空間であって、前記光検出器の下方に位置する部分に電気素子が配置されている、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  13. 前記電気素子は、抵抗素子と容量素子とコイルのうちの少なくとも一種類を含んでいる、請求項１２に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  14. 前記筐体の内側の空間であって、前記光検出器の下方に位置する部分に半導体集積回路を有している、請求項２に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
  15. 前記半導体集積回路は、前記光検出器からの出力を信号処理するための信号処理回路、位相分割回路、エラー検出回路の少なくとも一つをさらに含んでいる、請求項１４に記載の反射型光学式エンコーダーのセンサヘッド。
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