WO2011128181A2 - Abtastbaueinheit einer positionsmesseinrichtung - Google Patents

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WO2011128181A2
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Stephan Heck
Mario Himmel
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices

Definitions

  • the invention relates to a scanning assembly for a position measuring device for scanning a scale, comprising a transparent support and at least one light receiver, which is arranged to receive a light beam facing the carrier on the support.
  • the at least one light receiver serves to receive a light beam coming from a scale and passing through the carrier, which is modulated in a position-dependent manner.
  • a light-emitting diode is arranged on a photodiode array chip, which is connected in flip-chip technology or chip-on-glass technology via bumps with conductor tracks on a transparent glass plate as a carrier.
  • the glass plate is also a carrier of a grid.
  • the light of the light emitting diode irradiates the transparent glass plate and the grid, falls on a scale and is reflected by a division of the scale.
  • the reflected light passes through the grating once again and falls onto the photodiode array where mutually phase-shifted sinusoidal scanning signals are generated.
  • the invention has for its object to provide a Abtastbauech, which is compact and has a high noise immunity.
  • a Abtastbauech a position measuring device is to be created, with a high measurement accuracy can be achieved.
  • an electrically conductive first shielding layer applied to the carrier which is transparent to the light bundle and to the shielding of the at least one light receiver disturbing electric fields between the at least one light receiver and the carrier is arranged.
  • the shield is realized by a deposited on a surface of the carrier and extending between the light receiver and the carrier transparent electrically conductive shielding layer, in particular of the material ITO or ZnO.
  • the at least one light receiver is advantageously a spatial arrangement of a plurality of light receivers, which is jointly shielded from interfering electric fields by means of the electrically conductive first shielding layer.
  • the spatial arrangement is selected such that it generates a plurality of mutually phase-shifted electrical scanning signals from the incoming position-dependent modulated intensity pattern.
  • a plurality of light receivers for generating a scanning signal of a predetermined phase position are provided, which are then electrically connected to each other to generate a common scanning signal of a predetermined phase position.
  • the at least one light receiver may be electrically contacted with a conductor track layer, wherein an electrically conductive second shielding layer is applied to the carrier for shielding this conductor layer from interfering electric fields, which is opposite to the conductor track layer by an insulating layer of electrically insulating between the second shielding layer and the conductor track layer Material is electrically isolated.
  • the insulating layer extends into the passage region of the light bundle, then at least this region of the insulating layer is designed to be transparent to the light bundle.
  • the first shielding layer and the second shielding layer are formed by a common transparent shielding layer serving as a common layer on a surface of the carrier is deposited.
  • a carrier in the form of a coated glass plate can be used in this form as a prefabricated product.
  • an opaque electrically conductive shielding layer may be arranged between the transparent shielding layer and the conductor track layer in order to design the shielding in this area even more effectively.
  • the photosensitive surface Due to the carrier facing mounting of the at least one light receiver, the photosensitive surface to the carrier out. This ensures that the distance between the photosensitive surface and the shielding layer applied to the carrier is minimized and thus the shielding is effective.
  • the small distance between the shielding layer and the at least one light receiver is achieved in a simple manner if the at least one light receiver is fastened and electrically contacted to the conductor track layer of the carrier by means of flip-chip technology and face-down mounting.
  • a plurality of light receivers are formed in a common semiconductor substrate, in particular formed as an optochip.
  • the at least one light receiver can also be formed in the form of a semiconductor layer stack with the interposition of a transparent insulating layer on the transparent first shielding layer. It is not a prefabricated and mounted on the carrier semiconductor device, but the layers of the semiconductor layer stack are deposited on the carrier itself.
  • the term light bundle comprises a light formed by an imaging optics or an unshaped, z. B. divergent light.
  • the applied on the support ⁇ ) shielding (s) is or can be applied homogeneously and ensure or ensure for all the light receiver and possibly mounted further electrical components and for the conductor layer good shielding from disturbing electric fields.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that a high degree of accuracy is achieved by a simple manner, since the scanning remain as uninfluenced by disturbing electric fields.
  • Figure 1 shows a first Abtastbautechnik in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a second scanning unit in longitudinal section
  • FIG. 3 shows a third scanning unit in longitudinal section
  • Figure 4 shows a fourth Abtastbauech in longitudinal section
  • Figure 5 shows a fifth Abtastbautechnik in longitudinal section
  • All embodiments show a scanning assembly 1 which is adapted to scan a scale 2 to generate position-dependent scanning signals.
  • a light bundle A of at least one light source 103 is moved in the direction of a light source directed transparent carrier 3, irradiates the carrier 3 and reaches a grid applied to the carrier 3 grid 9 and passes on to the scale 2.
  • the scale 2 is movable relative to the Abtastbautechnik 1 in the measuring direction X.
  • the light beam A is modulated in a position-dependent manner by a graduation 21 of the scale 2.
  • the modulated light beam A is reflected back from the graduation 21, passes again through the grating 9 and the carrier 3 to light receivers 101 and 102, which then generate position-dependent electrical scanning signals.
  • the light receivers 101, 102 are arranged on the surface of the carrier 3, which faces away from the scale 2.
  • FIGS. 1 to 4 show examples in which a plurality of light receivers 101, 102 are each formed in an optochip 10. In addition, several such optochips 10, 1 1 are arranged on the carrier 3.
  • the carrier 3 is preferably made of glass. On a surface of the carrier 3, a layer system is applied.
  • the layer system includes a solderable conductor layer 4 made of electrically conductive material, such as copper, nickel or gold.
  • This conductor layer 4 is used for electrical contacting of the light receiver 101, 102, 1 1 1, 1 12. For this purpose, it has a layout with contact points for face down contacting the optochips 10, 1 1.
  • the optochips 10, 1 1 are mounted in flip-chip technology on the carrier 3 and electrically contacted.
  • the plurality of light receivers 101, 102 and 1 1 1, 1 12 are arranged spatially distributed so that they generate a plurality of mutually phase-shifted sinusoidal scanning signals.
  • each of these arrangements of light receivers 101, 102 and 1 1 1, 1 12 a light source 103 and 1 13 arranged.
  • the optochips 10, 1 1 each have a recess into which the light source 103 or 1 13 is inserted.
  • Such an arrangement is explained in DE 101 16 599 A1, to which reference is expressly made.
  • the light receivers 101, 102, 1 1 1, 1 12 in the direction of the surface of the carrier 3.
  • the light receiver 101, 102, 1 1 1, 1 12 are thus arranged directly opposite this surface of the carrier 3.
  • a transparent shielding layer 5 is arranged as the shielding means. The distance between the light receivers 101, 102, 1 1 1, 1 12 and the transparent shielding layer 5 is minimal by the face-down mounting, so that the shielding layer 5, the light receiver 101, 102, 1 1 1, 1 12 very effectively before Shielding interfering electric fields.
  • the light receivers 101, 102, 11 1, 12 are here implemented as optochips 10, 11, directly on the conductor layer 4 mounted and contacted electrically.
  • This assembly is carried out according to the examples of Figures 1 to 4 in flip-chip technology, by means of solder balls, so-called bumps 8.
  • on the support 3 in addition also one or more electrical Be arranged components 12, which are electrically contacted on the one hand to the wiring layer 4 and on the other hand via the wiring layer 4 with the optochips 10, 1 1, and thus the light receivers 101, 102, 1 1 1, 1 12 are electrically connected.
  • This electrical component 12 can be used to amplify and / or interpolate the scanning signals of the light receivers 101, 102, 11 1, 12.
  • the layer system comprises the transparent and electrically conductive shielding layer 5 for shielding the conductor track layer 4 and the light receivers 101, 102, 11 1, 12 from disturbing electric fields.
  • This shielding layer 5 is preferably made of indium tin oxide, also called ITO, alternatively of zinc oxide, which is optionally doped with aluminum, or of tin oxide, which is optionally doped with fluorine or antimony.
  • This shielding layer 5 is arranged over the entire surface between the carrier 3 and the conductor track layer 4 and also extends into the region of the light beam A.
  • the shielding layer 5 is therefore transparent at least in the Passage region and for the wavelength of the light emitted from the light source 10, 1 1 light beam A.
  • the shielding layer 5 is electrically connected to a reference potential P, also called ground, which may be at ground potential.
  • P also called ground
  • the layer system furthermore includes a transparent and electrically non-conductive insulating layer 6.
  • This insulating layer 6 is introduced between the conductor track layer 4 and the shielding layer 5. It is arranged over the entire area between the shielding layer 5 and the conductor track layer 4 and extends here also into the area of the light receivers 101, 102, 11, 12, 12.
  • the laminar through-going insulating layer 6 is therefore also transparent to the light wavelength of the light beam A.
  • the insulating layer 6 and the conductor track layer 4 leaves an accessible surface area 51 of the shielding layer 5 free. This makes it possible to electrically connect the shielding layer 5 to the reference potential P in a simple manner.
  • FIG. 2 shows a further example of a scanning assembly 1.
  • the basic structure corresponds to that of FIG. 1, for which reason the same reference numeral is used and only the features deviating from FIG. 1 are explained below.
  • the transparent insulating layer 6 has at least one via 61, via which the transparent and electrically conductive shielding layer 5 is electrically connected to the reference potential P of the conductor track layer 4.
  • FIG. 3 shows a further example of a scanning unit 1.
  • the basic structure again corresponds to that of FIG. 1, for which reason only the features deviating therefrom are explained below.
  • an opaque electrically conductive shielding layer 50 is additionally incorporated.
  • This opaque shielding layer 50 is provided only in areas below the conductor track layer 4 and does not extend into the area of the light beam A.
  • no optical properties must now be taken into account so that a metal layer which is well conductive, for example gold or copper, can be used.
  • the transparent shielding layer 5 is provided for shielding and protects the light receivers 101, 102, 11, 12 from disturbing electric fields.
  • FIG. 4 shows a further example of a scanning unit 1.
  • the basic structure again corresponds to that of FIG. 1, which is why only the features deviating therefrom are explained below.
  • an insulating layer 60 is provided between the transparent shielding layer 5 and the conductor track layer 4, which is not designed to be transparent for the light bundle A. For this reason, this opaque insulating layer 60 does not extend into the passage region of the light beam A. The light beam A can not be adversely affected, in particular damped, by the insulating layer 60.
  • the light receivers 101, 102, 1 1 1, 1 12 are formed in optochips 10, 1 1, these can also have circuits for processing the electrical signals. These circuits are also screened by the shielding layer 5 from disturbing electric fields.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment.
  • the light beam A of a light source 104 is modulated in a position-dependent manner by the graduation 21 of the scale 2 and arrives as position-dependent Intensity pattern on a plurality of light receivers 120 to 129.
  • the essential difference from the previous four embodiments lies in the structure of the light receiver 120 to 129.
  • the light receiver 120 to 129 are arranged directly in the form of a semiconductor layer stack H on the support 3.
  • the application is carried out in a known thin-film technique by depositing the layers on the carrier 3, to which reference is made to DE 103 57 654 A1.
  • the already explained transparent shielding layer 5 is provided between the semiconductor layer stack H and the carrier 3. Between the transparent shielding layer 5 and the semiconductor layer stack H, the transparent insulating layer 6 is disposed.
  • the shielding layer 5 is preferably electrically connected to the reference potential P.
  • the semiconductor layer stack H is constructed on a transparent electrode 13 and consists - in the order of light passage of the light beam A reflected by the scale 2 - of a p-doped layer 14, an intrinsic layer 15 and an n-doped layer 16.
  • the n-doped Layer 16 is structured.
  • a plurality of spaced-apart light receiver 120 to 129 are formed, which detect the reflected light from the division 21 of the scale 2 as a position-dependent intensity pattern light beam A and convert it into electricity.
  • the plurality of light receivers 120 to 129 thus formed on the carrier 3 are electrically contacted via rear side contacts 17. These rear side contacts 17 are further contacted via the conductor track layer 4, which then continues in the form of the printed conductor layer 4 applied to the carrier 3.
  • This conductor track layer 4 is again shielded, in turn, preferably by means of the shielding layer 5 applied to the substrate 3, the insulating layer 6 being arranged between the shielding layer 5 and the conductor track layer 4.
  • the non-transparent shielding layer 50 according to FIG. 3 and the nontransparent insulating layer 60 according to FIG. 4 can be provided between the conductor track layer 4 and the carrier 3.
  • the light receivers 120 to 129 are also spatially arranged in such a way that they generate a plurality of mutually phase-shifted electrical scanning signals from the incoming position-dependent modulated intensity pattern.
  • a plurality of light receivers 120, 124, 125, 129 are provided for generating a scanning signal of a predetermined phase position in this example, which are then electrically connected to each other via the rear side contacts 17 to generate a common scanning signal of the predetermined phase position.
  • the individual light receivers 120 to 129 are electrically insulated from one another by insulating material 18.
  • transparent materials such as glass or Mylar can be used.
  • the division 21 may be an incremental and / or a single-track or multi-track absolute code division.
  • the graduation 21 of the scale 2 is reflective, so it is a so-called Auflichtabtastung.
  • the scale and the graduation to be scanned can also be designed for transmitted light scanning.
  • at least one light source on one side of the scale and the light receiver on the other side of the scale are arranged in a manner not shown, so that the light of the light source passes through the scale and then on to the light receivers.
  • the light beam A may be a light formed by an imaging optics or an unshaped, e.g. B. act divergent light.
  • the scanning unit 1 can be used for scanning of elongated scales 2, so for length measurement, but also for scanning angle divisions, ie for angle measurement.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtastbaueinheit für eine Positionsmesseinrichtung mit einer auf einem Träger (3) montierten Anordnung von Lichtempfängern (101, 102, 111, 112). Auf dem Träger (3) ist eine transparente Abschirmschicht (5) vorgesehen, welche die Anordnung von Lichtempfängern (101, 102, 111, 112) vor störenden elektrischen Feldern abschirmt.

Description

Abtastbaueinheit einer Positionsmesseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Abtastbaueinheit für eine Positionsmesseinrichtung zur Abtastung eines Maßstabs, umfassend einen transparenten Träger sowie zumindest einen Lichtempfänger, der zum Empfang eines Lichtbündels dem Träger zugewandt auf dem Träger angeordnet ist. Der zumindest eine Lichtempfänger dient zum Empfang eines von einem Maßstab kommenden und durch den Träger hindurchtretenden Lichtbündels, das positionsabhängig moduliert ist.
In der Zeitschrift F & M, Heft 10, 1996, Seiten 752 bis 756 ist eine derartige Abtastbaueinheit - von der unsere Erfindung ausgeht - beschrieben. Eine Leuchtdiode ist auf einem Fotodiodenarray-Chip angeordnet, der in Flip- Chip-Technik bzw. Chip-on-Glass-Technik über Bumps mit Leiterbahnen auf einer transparenten Glasplatte als Träger verbunden ist. Die Glasplatte ist auch Träger eines Gitters.
Bei der Positionsmessung mit dieser Abtastbaueinheit durchstrahlt das Licht der Leuchtdiode die transparente Glasplatte und das Gitter, fällt auf einen Maßstab und wird von einer Teilung des Maßstabs reflektiert. Das reflektierte Licht gelangt noch einmal durch das Gitter und fällt auf das Fotodiodenarray, wo gegeneinander phasenverschobene sinusförmige Abtastsignale erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastbaueinheit anzugeben, die kompakt aufgebaut ist und die eine hohe Störsicherheit aufweist. Insbesondere soll eine Abtastbaueinheit einer Positionsmesseinrichtung geschaffen werden, mit der eine hohe Messgenauigkeit erreichbar wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine auf dem Träger aufgebrachte elektrisch leitende erste Abschirmschicht, die für das Lichtbündel transparent ist und zur Abschirmung des zumindest einen Lichtempfängers vor störenden elektrischen Feldern zwischen dem zumindest einen Lichtempfänger und dem Träger angeordnet ist.
Vorzugsweise ist die Abschirmung realisiert durch eine auf einer Oberfläche des Trägers abgeschiedene und zwischen dem Lichtempfänger und dem Träger verlaufende transparente elektrisch leitende Abschirmschicht, insbesondere aus dem Material ITO oder ZnO.
Der zumindest eine Lichtempfänger ist in vorteilhafter Weise eine räumliche Anordnung mehrerer Lichtempfänger, die gemeinsam mittels der elektrisch leitenden ersten Abschirmschicht vor störenden elektrischen Feldern abgeschirmt ist. Die räumliche Anordnung ist so gewählt, dass sie aus dem ankommenden positionsabhängig modulierten Intensitätsmuster mehrere gegeneinander phasenverschobene elektrische Abtastsignale erzeugen. In vorteilhafter Weise sind mehrere Lichtempfänger zur Erzeugung eines Abtastsignals einer vorgegebenen Phasenlage vorgesehen, die dann elektrisch miteinander verbunden sind, um ein gemeinsames Abtastsignal einer vorgegebenen Phasenlage zu generieren. Der zumindest eine Lichtempfänger kann an einer Leiterbahnschicht elektrisch kontaktiert sein, wobei zur Abschirmung dieser Leiterbahnschicht vor störenden elektrischen Feldern eine elektrisch leitende zweite Abschirmschicht auf dem Träger aufgebracht ist, die gegenüber der Leiterbahnschicht durch eine zwischen der zweiten Abschirmschicht und der Leiterbahnschicht angeordneten Isolierschicht aus elektrisch isolierendem Material elektrisch isoliert ist.
Erstreckt sich die Isolierschicht in den Durchgangsbereich des Lichtbündels, so ist zumindest dieser Bereich der Isolierschicht für das Lichtbündel transparent ausgebildet.
In vorteilhafter Weise werden die erste Abschirmschicht und die zweite Abschirmschicht von einer gemeinsamen transparenten Abschirmschicht gebildet, die als gemeinsame Schicht auf einer Oberfläche des Trägers abgeschieden ist. Ein Träger in Form einer beschichteten Glasplatte kann in dieser Form als vorgefertigtes Produkt eingesetzt werden.
Zwischen der transparenten Abschirmschicht und der Leiterbahnschicht kann zusätzlich eine opake elektrisch leitende Abschirmschicht angeordnet sein, um die Abschirmung in diesem Bereich noch effektiver auszugestalten.
Aufgrund der dem Träger zugewandten Montage des zumindest einen Lichtempfängers weist die lichtempfindliche Fläche zum Träger hin. Dadurch ist gewährleistet, dass der Abstand zwischen der lichtempfindlichen Fläche und der auf dem Träger aufgebrachten Abschirmschicht minimal ausgeführt ist und somit die Abschirmung gut wirksam ist.
Der geringe Abstand zwischen der Abschirmschicht und des zumindest einen Lichtempfängers wird auf einfache Weise erreicht, wenn der zumindest eine Lichtempfänger mittels Flip-Chip-Technik und face-down- Montage an der Leiterbahnschicht des Trägers befestigt und elektrisch kontaktiert ist. Besondere Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat, insbesondere ausgebildet als Optochip, mehrere Lichtempfänger ausgebildet sind.
Der zumindest eine Lichtempfänger kann auch in Form eines Halbleiterschichtstapels unter Zwischenschaltung einer transparenten Isolierschicht auf der transparenten ersten Abschirmschicht ausgebildet sein. Dabei handelt es sich nicht um ein vorgefertigtes und am Träger montiertes Halbleiterbauteil, sondern die Schichten des Halbleiterschichtstapels sind auf dem Träger selbst abgeschieden.
Der Begriff Lichtbündel umfasst ein von einer Abbildungsoptik geformtes Licht oder ein ungeformtes, z. B. divergentes Licht. Die auf dem Träger aufgebrachte^ ) Abschirmschicht(en) ist bzw. sind homogen aufbringbar und gewährleistet bzw. gewährleisten für alle Lichtempfänger sowie für ggf. montierte weitere elektrischen Bauelemente und für die Leiterbahnschicht eine gute Abschirmung vor störenden elektrischen Feldern.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch einfache Weise eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird, da die Abtastsignale möglichst unbeeinflusst von störenden elektrischen Feldern bleiben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine erste Abtastbaueinheit im Längsschnitt;
Figur 2 eine zweite Abtastbaueinheit im Längsschnitt; Figur 3 eine dritte Abtastbaueinheit im Längsschnitt;
Figur 4 eine vierte Abtastbaueinheit im Längsschnitt, und
Figur 5 eine fünfte Abtastbaueinheit im Längsschnitt
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Alle Ausführungsbeispiele zeigen eine Abtastbaueinheit 1 , die dazu ausgebildet ist, einen Maßstab 2 abzutasten, um positionsabhängige Abtastsignale zu generieren.
Gemäß der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele wird ein Lichtbündel A zumindest einer Lichtquelle 103 in Richtung eines transparenten Trägers 3 gerichtet, durchstrahlt den Träger 3 und gelangt auf ein auf dem Träger 3 aufgebrachtes Gitter 9 und gelangt weiter zu dem Maßstab 2. Der Maßstab 2 ist relativ zu der Abtastbaueinheit 1 in Messrichtung X bewegbar. Durch diese Relativbewegung wird das Lichtbündel A von einer Teilung 21 des Maßstabs 2 positionsabhängig moduliert. Das modulierte Lichtbündel A wird von der Teilung 21 zurückreflektiert, gelangt wieder durch das Gitter 9 und den Träger 3 weiter auf Lichtempfänger 101 und 102, die dann positionsabhängige elektrische Abtastsignale generieren. Die Lichtempfänger 101 , 102 sind auf der Oberfläche des Trägers 3 angeordnet, die dem Maßstab 2 abgewandt ist.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen Beispiele, bei denen jeweils mehrere Lichtempfänger 101 , 102 in einem Optochip 10 ausgebildet sind. Zusätzlich sind auf dem Träger 3 mehrere derartige Optochips 10, 1 1 angeordnet.
Der Träger 3 besteht vorzugsweise aus Glas. Auf einer Oberfläche des Trägers 3 ist ein Schichtensystem aufgebracht. Das Schichtensystem beinhaltet eine lötfähige Leiterbahnschicht 4 aus elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer, Nickel oder Gold. Diese Leiterbahnschicht 4 dient zur elektrischen Kontaktierung der Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12. Hierzu weist sie ein Layout mit Kontaktstellen zur face down Kontaktierung der Optochips 10, 1 1 auf. Die Optochips 10, 1 1 sind in Flip-Chip-Technologie am Träger 3 befestigt und elektrisch kontaktiert. Die mehreren Lichtempfänger 101 , 102 sowie 1 1 1 , 1 12 sind derart räumlich verteilt angeordnet, dass sie mehrere gegeneinander phasenverschobene sinusförmige Abtastsignale erzeugen. Weiterhin ist im Zentrum jedes dieser Anordnungen von Lichtempfängern 101 , 102 sowie 1 1 1 , 1 12 eine Lichtquelle 103 bzw. 1 13 angeordnet. Hierzu weisen die Optochips 10, 1 1 jeweils eine Ausnehmung auf, in welche die Lichtquelle 103 bzw. 1 13 eingesetzt ist. Eine derartige Anordnung ist in der DE 101 16 599 A1 erläutert, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
Bei allen Ausführungsbeispielen weisen die Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 in Richtung der Oberfläche des Trägers 3. Die Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 sind also dieser Oberfläche des Trägers 3 direkt gegenüber liegend angeordnet. Auf dieser Oberfläche des Trägers 3 ist als Abschirmmittel eine transparente Abschirmschicht 5 angeordnet. Der Abstand zwischen den Lichtempfängern 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 und der transparenten Abschirmschicht 5 ist durch die face-down-Montage minimal, so dass die Abschirmschicht 5 die Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 sehr effektiv vor störenden elektrischen Feldern abschirmt. Zur Ausbildung des minimalen Abstandes zwischen der Abschirmschicht 5 und den Lichtempfängern 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 sind die Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12, hier als Optochips 10, 1 1 ausgeführt, direkt auf der Leiterbahnschicht 4 montiert und daran elektrisch kontaktiert. Diese Montage erfolgt gemäß den Beispielen der Figuren 1 bis 4 in Flip-Chip-Technik, mittels Lötkugeln, sogenannter Bumps 8. Wie in den Beispielen der Figuren 1 bis 4 weiter dargestellt ist, kann auf dem Träger 3 zusätzlich auch ein oder auch mehrere elektrische Bauelemente 12 angeordnet sein, die einerseits an der Leiterbahnschicht 4 elektrisch kontaktiert sind und andererseits über die Leiterbahnschicht 4 mit den Optochips 10, 1 1 , und somit den Lichtempfängern 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 elektrisch verbunden sind. Dieses elektrische Bauelement 12 kann zur Verstärkung und/oder zur Interpolation der Abtastsignale der Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 dienen.
Das Schichtensystem umfasst die transparente und elektrisch leitfähige Abschirmschicht 5 zur Abschirmung der Leiterbahnschicht 4 und der Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 vor störenden elektrischen Feldern. Diese Abschirmschicht 5 besteht vorzugsweise aus Indiumzinnoxid, auch ITO genannt, alternativ aus Zinkoxid, das ggf. mit Aluminium dotiert ist, oder aus Zinnoxid, das ggf. mit Fluor oder Antimon dotiert ist.
Diese Abschirmschicht 5 ist ganzflächig zwischen dem Träger 3 und der Leiterbahnschicht 4 angeordnet und erstreckt sich auch in den Bereich des Lichtbündels A. Die Abschirmschicht 5 ist daher transparent zumindest im Durchgangsbereich und für die Lichtwellenlänge des von der Lichtquelle 10, 1 1 emittierten Lichtbündels A.
Vorzugsweise ist die Abschirmschicht 5 mit einem Bezugspotential P, auch Masse genannt, elektrisch verbunden, das auf Erdpotential liegen kann.
Gemäß des in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispieles beinhaltet das Schichtensystem weiterhin eine transparente und elektrisch nicht leitende Isolierschicht 6. Diese Isolierschicht 6 ist zwischen der Leiterbahnschicht 4 und der Abschirmschicht 5 eingebracht. Sie ist ganzflächig zwischen der Abschirmschicht 5 und der Leiterbahnschicht 4 angeordnet und erstreckt sich hier auch in den Bereich der Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12. Die flächig durchgehende Isolierschicht 6 ist daher ebenfalls transparent für die Lichtwellenlänge des Lichtbündels A.
Die Isolierschicht 6 und die Leiterbahnschicht 4 lässt einen zugänglichen Oberflächenbereich 51 der Abschirmschicht 5 frei. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Abschirmschicht 5 auf einfache Weise mit dem Bezugspotential P elektrisch zu verbinden.
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Abtastbaueinheit 1. Der Grundaufbau entspricht dem der Figur 1 , weshalb das gleiche Bezugszeichen verwendet wird und nur die gegenüber der Figur 1 abweichenden Merkmale nachfolgend erläutert werden.
Die transparente Isolierschicht 6 weist in diesem Fall zumindest eine Durchkontaktierung 61 auf, über welche die transparente und elektrisch leitende Abschirmschicht 5 mit dem Bezugspotential P der Leiterbahnschicht 4 elektrisch verbunden ist.
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Abtastbaueinheit 1. Der Grundaufbau entspricht wiederum dem der Figur 1 , weshalb nur die davon abweichenden Merkmale nachfolgend erläutert werden. Bei diesem Beispiel ist zur Erhöhung der elektrischen Abschirmwirkung zwischen der transparenten Isolierschicht 6 und der transparenten Abschirmschicht 5 zusätzlich eine opake elektrisch leitende Abschirmschicht 50 eingebracht. Diese opake Abschirmschicht 50 ist nur in Bereichen unterhalb der Leiterbahnschicht 4 vorgesehen und erstreckt sich nicht in den Bereich des Lichtbündels A. Bei der Materialauswahl dieser opaken Abschirmschicht müssen nun keine optischen Eigenschaften berücksichtigt werden, so dass auch eine elektrisch gut leitende Metallschicht, beispielsweise aus Gold oder Kupfer, verwendet werden kann. Im Bereich des Lichtbündels A ist zur Abschirmung nur die transparente Abschirmschicht 5 vorgesehen und schützt die Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 vor störenden elektrischen Feldern.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Abtastbaueinheit 1. Der Grundaufbau entspricht wiederum dem der Figur 1 , weshalb nur die davon abweichenden Merkmale nachfolgend erläutert werden.
Im Unterschied zu den oben bereits erläuterten Ausführungsbeispielen ist hier eine Isolierschicht 60 zwischen der transparenten Abschirmschicht 5 und der Leiterbahnschicht 4 vorgesehen, die für das Lichtbündel A nicht transparent ausgestaltet ist. Aus diesem Grund erstreckt sich diese opake Isolierschicht 60 nicht in den Durchgangsbereich des Lichtbündels A. Das Lichtbündel A kann dadurch nicht nachteilig durch die Isolierschicht 60 beeinflusst, insbesondere gedämpft, werden.
Wenn die Lichtempfänger 101 , 102, 1 1 1 , 1 12 in Optochips 10, 1 1 ausgebildet sind, können diese auch Schaltkreise zur Verarbeitung der elektrischen Signale aufweisen. Diese Schaltkreise werden durch die Abschirmschicht 5 ebenfalls vor störenden elektrischen Feldern abgeschirmt.
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Auch hier wird das Lichtbündel A einer Lichtquelle 104 von der Teilung 21 des Maßstabes 2 positionsabhängig moduliert und gelangt als positionsabhängiges Intensitätsmuster auf mehrere Lichtempfänger 120 bis 129. Der wesentliche Unterschied zu den vorhergehenden vier Ausführungsbeispielen liegt im Aufbau der Lichtempfänger 120 bis 129. Die Lichtempfänger 120 bis 129 sind direkt in Form eines Halbleiterschichtstapel H auf dem Träger 3 angeordnet. Die Aufbringung erfolgt in bekannter Dünnfilmtechnik durch Abscheiden der Schichten auf dem Träger 3, wozu auf die DE 103 57 654 A1 verwiesen wird. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Halbleiterschichtstapel H und dem Träger 3 die bereits erläuterte transparente Abschirmschicht 5 vorgesehen. Zwischen der transparenten Abschirmschicht 5 und dem Halbleiterschichtstapel H ist die transparente Isolierschicht 6 angeordnet. Die Abschirmschicht 5 ist vorzugsweise mit dem Bezugspotential P elektrisch verbunden.
Der Halbleiterschichtstapel H ist auf einer transparenten Elektrode 13 aufgebaut und besteht - in der Reihenfolge des Lichtdurchganges des vom Maßstab 2 reflektierten Lichtbündels A - aus einer p-dotierten Schicht 14, einer intrinsischen Schicht 15 und einer n-dotierten Schicht 16. Die n- dotierte Schicht 16 ist strukturiert. Durch die Strukturierung werden mehrere voneinander beabstandete Lichtempfänger 120 bis 129 gebildet, die das von der Teilung 21 des Maßstabs 2 als positionsabhängiges Intensitätsmuster reflektierte Lichtbündel A detektieren und in elektrischen Strom umwandeln. Die so auf dem Träger 3 ausgebildeten mehreren Lichtempfänger 120 bis 129 sind über Rückseitenkontakte 17 elektrisch kontaktiert. Diese Rückseitenkontakte 17 sind weiter über die Leiterbahnschicht 4 kontaktiert, die dann weiter in Form der auf den Träger 3 aufgebrachten Leiterbahnschicht 4 verläuft. Diese Leiterbahnschicht 4 ist nun wiederum vorzugsweise mittels der auf dem Träger 3 aufgebrachten Abschirmschicht 5 abgeschirmt, wobei zwischen der Abschirmschicht 5 und der Leiterbahnschicht 4 die Isolierschicht 6 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Leiterbahnschicht 4 und dem Träger 3 die nichttransparente Abschirmschicht 50 gemäß Figur 3 sowie die nichttransparente Isolierschicht 60 gemäß Figur 4 vorgesehen werden. Die Lichtempfänger 120 bis 129 sind auch hier derart räumlich angeordnet, dass sie aus dem ankommenden positionsabhängig modulierten Intensitätsmuster mehrere gegeneinander phasenverschobene elektrische Abtastsignale erzeugen. In vorteilhafter Weise sind auch bei diesem Beispiel mehrere Lichtempfänger 120, 124, 125, 129 zur Erzeugung eines Abtastsignals einer vorgegeben Phasenlage vorgesehen, die dann über die Rückseitenkontakte 17 elektrisch miteinander verbunden sind, um ein gemeinsames Abtastsignal der vorgegebenen Phasenlage zu generieren. Die einzelnen Lichtempfänger 120 bis 129 sind durch isolierendes Material 18 voneinander elektrisch isoliert.
Für den Träger 3 können transparente Materialien wie Glas oder Mylar verwendet werden.
Die Teilung 21 kann eine inkrementale und/oder eine ein- bzw. mehrspurige absolute Codeteilung sein.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Teilung 21 des Maßstabs 2 reflektierend ausgebildet, es handelt sich also um eine sogenannte Auflichtabtastung. In nicht dargestellter Weise kann der Maßstab und die abzutastende Teilung auch für eine Durchlichtabtastung ausgelegt sein. Dabei sind in nicht gezeigter Weise zumindest die eine Lichtquelle auf einer Seite des Maßstabs und die Lichtempfänger auf der anderen Seite des Maßstabs angeordnet, so dass das Licht der Lichtquelle durch den Maßstab und dann weiter zu den Lichtempfängern verläuft.
Bei dem Lichtbündel A kann es sich um ein von einer Abbildungsoptik geformtes Licht oder ein ungeformtes, z. B. divergentes Licht handeln.
Die Abtasteinheit 1 kann zur Abtastung von langgestreckten Maßstäben 2, also zur Längenmessung, aber auch zur Abtastung von Winkelteilungen, also zur Winkelmessung eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
Abtastbaueinheit für eine Positionsmesseinrichtung zur Abtastung eines Maßstabs (2), umfassend
- einen transparenten Träger (3),
- zumindest einen Lichtempfänger (101 , 102, 1 1 1 , 1 12, 120 bis 129), der zum Empfang eines Lichtbündels (A) dem Träger (3) zugewandt auf dem Träger (3) angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
- eine auf dem Träger (3) aufgebrachte elektrisch leitende erste Abschirmschicht (5), die für das Lichtbündel (A) transparent ist und zur Abschirmung des zumindest einen Lichtempfängers (101 , 102, 1 1 1 , 1 12, 120 bis 129) vor störenden elektrischen Feldern zwischen dem zumindest einen Lichtempfänger (101 , 102, 1 1 1 , 1 12, 120 bis 129) und dem Träger (3) angeordnet ist.
Abtastbaueinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Anordnung mehrerer Lichtempfänger (101 , 102, 1 1 1 , 1 12, 120 bis 129) dem Träger (4) zugewandt auf dem Träger (3) angeordnet ist, die gemeinsam mittels der elektrisch leitenden ersten Abschirmschicht (5) vor störenden elektrischen Feldern abgeschirmt ist.
Abtastbaueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abschirmschicht (5) aus dem Material ITO oder ZnO besteht.
Abtastbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lichtempfänger (101 , 102, 1 1 1 , 1 12, 120 bis 129) an einer Leiterbahnschicht (4) elektrisch kontaktiert ist, wobei zur Abschirmung der Leiterbahnschicht (4) vor störenden elektrischen Feldern eine elektrisch leitende zweite Abschirmschicht (5, 50) auf dem Träger (3) aufgebracht ist, die gegenüber der Leiterbahnschicht (4) durch eine zwischen der zweiten Abschirmschicht (5) und der Leiterbahnschicht (4) angeordnete Isolierschicht (6, 60) aus elektrisch isolierendem Material elektrisch isoliert ist.
Abtastbaueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (6) transparent ausgebildet ist und sich in den Durchgangsbereich des Lichtbündels (A) erstreckt.
Abtastbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abschirmschicht und die zweite Abschirmschicht von einer gemeinsamen transparenten Abschirmschicht (5) gebildet ist.
Abtastbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lichtempfänger (101 , 102, 1 1 1 , 1 12) mittels Flip-Chip-Technik und face-down-Montage an der auf dem Träger (3) aufgebrachten Leiterbahnschicht (4) befestigt und elektrisch kontaktiert ist.
Abtastbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lichtempfänger (120 bis 129) in Form eines Halbleiterschichtstapels (H) unter Zwischenschaltung einer transparenten Isolierschicht (6) auf der transparenten ersten Abschirmschicht (5) ausgebildet ist.
Abtastbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger (3) eine Lichtquelle (103, 1 13, 104) angeordnet ist, und dass die transparente erste Abschirmschicht (5) auch zwischen dem Träger (3) und der Lichtquelle (103, 1 13, 104) angeordnet ist.
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