專利名稱：用于光學編碼器的光接收器件及光學編碼器的制作方法
相關申請的交叉參考本申請基于且要求2004年11月12日申請的在先日本專利申請No.2004-329704的優(yōu)先權(quán)；該專利申請的全部內(nèi)容在此引作參考。
背景技術：
本發(fā)明涉及一種用于光學編碼器的光接收器件和光學編碼器。具體而言，本發(fā)明涉及一種使用光電二極管的光學編碼器的光接收器件以及裝有相同光接收器件的光學編碼器。
光學編碼器包括相對設置的光發(fā)射部件和光接收部件。光學編碼器被設計成當通過處于光發(fā)射部件與光接收部件之間的適當?shù)卦O有透明圖案和遮光圖案的標尺時能夠檢測信號的改變。通過適當?shù)卦O定光接收部件與標尺的間距，光學編碼器可用作具有所需分辨率的位置檢測裝置(例如，日本未審公開專利申請2002-340669)。光學編碼器用于多種應用中，諸如檢測打印機中打印頭的位置以及控制復印機中的進紙量。
不過，在傳統(tǒng)的光學編碼器中，光接收部件中光電二極管的尺寸必須非常小，以便提高空間分辨率，這就產(chǎn)生不易于制造的問題。
此外，在傳統(tǒng)的光學編碼器中，從光接收器件獲得的光電流波形具有高DC分量，這就產(chǎn)生動態(tài)范圍狹窄的問題。
本發(fā)明提供一種用于光學編碼器的光接收器件和一種光學編碼器，易于提高空間分辨率，并且還能減小光電流中的DC分量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明一個方面，提供一種用于光學編碼器的光接收器件，包括多個在第一方向并置且沿第二方向延伸的第一光電二極管，該第二方向通常垂直于該第一方向；以及分別設置在多個第一光電二極管上的遮光層，該遮光層設有開口，從而當具有透光圖案和遮光圖案的標尺沿該第二方向移動時，透過該透光圖案的光相繼照射所述多個第一光電二極管中的至少一個和至少另一個。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種光學編碼器，包括光發(fā)射部件；和與該光發(fā)射部件相對設置的光接收部件，光接收部件具有包括光接收器件，該光接收器件包括在第一方向并置且沿第二方向延伸的多個第一光電二極管，該第二方向通常垂直于該第一方向；以及，分別設置在該多個第一光電二極管上的遮光層，該遮光層設有開口，從而當具有透光圖案和遮光圖案的標尺沿該第二方向移動時，透過該透光圖案的光相繼照射所述多個第一光電二極管中的至少一個和至少另一個。


通過下面給出的詳細說明并且根據(jù)本發(fā)明實施例的附圖，將更充分地理解本發(fā)明。不過，附圖無意于表示將本發(fā)明局限于特定實施例，而僅僅出于解釋和理解的目的。
在附圖中圖1所示的平面透視圖表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光學編碼器的光接收器件的結(jié)構(gòu)；圖2所示的平面圖表示去除遮光層的本發(fā)明特定示例的光接收器件；圖3為表示光學編碼器相關部分的剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為表示一部分標尺的示意平面圖；圖5所示的示意圖表示本發(fā)明實施例的光接收器件的開口22A與標尺33的間距之間的關系；圖6所示的平面透視圖表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的另一特定示例，光學編碼器的光接收器件的結(jié)構(gòu)；圖7所示的平面圖表示去除遮光層的本發(fā)明特定示例的光接收器件；圖8所示的平面透視圖表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光學編碼器的光接收器件的結(jié)構(gòu)；圖9所示的平面圖表示去除遮光層的本發(fā)明特定示例的光接收器件；圖10所示的示意圖表示本發(fā)明實施例的光電二級管的剖面結(jié)構(gòu)的一個示例；圖11所示的示意圖表示本發(fā)明實施例的光電二極管的剖面結(jié)構(gòu)的另一示例；圖12所示的示意圖表示本發(fā)明實施例的光接收器件的開口22A與標尺33的間距之間的關系；圖13所示的示意圖表示在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明者研究的比較示例的光學編碼器中光接收器件的平面圖案；圖14所示的示意圖表示在比較示例中標尺33與光接收器件之間的位置關系；圖15表示在使用比較示例的光接收器件時獲得的光信號波形的曲線圖；圖16為說明本發(fā)明實現(xiàn)的DC分量消除效果的示意圖；圖17為表示本發(fā)明實施例的光學編碼器中可使用的電路的示意圖；圖18為表示本發(fā)明中可使用的電路的另一示例的示意圖；圖19所示的平面透視圖表示本發(fā)明實施例中可使用的光接收器件的第二特定示例；圖20所示的平面圖表示去除遮光層的本發(fā)明特定示例的光接收器件；圖21所示的平面透視圖表示本發(fā)明實施例中可使用的光接收器件的第三特定示例；圖22所示的平面圖表示去除遮光層的本發(fā)明特定示例的光接收器件；圖23所示的平面透視圖表示本發(fā)明實施例中可使用的光接收器件的第四特定示例；圖24和25所示的示意圖表示本發(fā)明特定示例的光電二極管的剖面結(jié)構(gòu)；圖26所示的平面透視圖表示本發(fā)明實施例中可使用的光接收器件的第五特定示例；圖27所示的示意圖表示未設有絕緣區(qū)域30的情形；圖28所示的示意圖表示設有絕緣區(qū)域30的情形中開口22A的寬度；圖29所示的示意透視圖表示本發(fā)明中可使用的光接收器件的另一特定示例；以及圖30所示的示意透視圖表示本發(fā)明中可使用的光接收器件的另一特定示例。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。
圖1所示的平面透視圖表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光學編碼器的光接收器件的結(jié)構(gòu)。
圖2所示的平面圖表示去除遮光層的該特定示例的光接收器件。
更具體而言，該特定示例的光接收器件包括通常為沿第一方向(在圖1和2中為x-方向)延伸的條形結(jié)構(gòu)的第一光電二極管1a至1d。如后面詳細描述的，通過在半導體層上生長外延層或者在平面結(jié)構(gòu)中擴散雜質(zhì)，形成這些光電二極管1a至1d。
金屬布線20通過接觸10連接到光電二極管1a至1d的兩端。
如圖1中所示，遮光層22設置在第一光電二極管1a至1d上。例如，可由與金屬布線20相同的金屬層形成遮光層22。在這一方面，將遮光層22連接地電勢是有益的，因為這還實現(xiàn)了屏蔽效果。遮光層22具有以預定的間距形成的開口22A。應當注意，在實際的光接收器件中，光電二極管沿x-方向延伸且設有比圖示中多得多的開口22A。不過，在本申請中，為了方便僅表示出眾多開口22A中的兩個周期。在圖1中所示的特定示例中，為第一光電二極管1a設置的開口22A與后面詳細描述的標尺的亮/暗圖案的間距相匹配。同樣，第一光電二極管1b，1c和1d以相同的間距設有分別具有不同相位的開口22A。在該特定示例中，分別給四個光電二極管1a至1d指定四個相位A到D。
為每個光電二極管1a至1d設置的開口22A的間距最好與后面詳細描述的標尺的亮/暗圖案的間距相匹配。不過，不要求開口22A與標尺的亮/暗圖案相同。只要開口22A與通過標尺的亮/暗圖案的光在光接收器件的光接收表面上形成的光強的空間分布相匹配就足夠了。
圖3所示的示意圖表示安裝有這種光接收器件的光學編碼器相關部分的剖面結(jié)構(gòu)。
在圖3所示的光學編碼器中，光發(fā)射部件31與光接收部件32相對設置。將光發(fā)射部件31設計成，使例如LED(發(fā)光二極管)70安裝在引線框40的末端，并且用樹脂適當?shù)貪茶T其外圍。將光接收部件32設計成，使光接收器件80安裝在引線框50的末端，且用樹脂適當?shù)貪茶T其外圍。將標尺33插入光發(fā)射部件31與光接收部件32之間。檢測標尺33與編碼器之間的相對位移。
圖4為表示一部分標尺的示意平面圖。如圖中所示，標尺33交替地設有用于透光的透光圖案部分34和用于遮光的遮光圖案部分35。這些圖案部分34和35的間距通常與遮光層22中開口陣列22A的間距相匹配。
圖5所示的示意圖表示本實施例的光接收器件的開口22A與標尺33的間距之間的關系。應當注意，為了便于描述，該圖表示成光接收器件與標尺33并置。不過，在如圖3中所示的實際操作中，將它們設置成使標尺33穿過光接收器件的上面。此外，標尺33具有一定寬度(圖5中的垂直寬度)，使其完全覆蓋光接收器件的光接收表面。
對于每個光電二極管1a至1d，開口22A的間距與標尺33的亮/暗圖案的間距相匹配。例如，為光電二極管1a提供的開口22A的間距P1與標尺33的透光圖案部分34和遮光圖案部分35的間距P2相同。為每個光電二極管1b至1d提供的開口22A也按照與標尺33的亮/暗圖案的間距P2相同的間距形成。
光接收器件與標尺33之間的相對位移，改變從光電二極管1a至1d分別得到的光電流信號?？赏ㄟ^檢查光電流的改變確定位移量。特別是，在圖5所示的特定示例中，標尺33的透光圖案部分34的寬度W1與遮光圖案部分35的寬度W2相同，并且是開口22A寬度的兩倍。當標尺33沿箭頭M的方向移動時，由透光圖案部分34和遮光圖案部分35形成的亮/暗圖案在光接收器件上沿箭頭M的方向移動。然后按照相位A→相位B→相位C→相位D的順序照射開口22A。通過每個光電二極管1a至1d觀察光電流信號的起伏。此時，假設透光圖案部分34的寬度W1與遮光圖案部分35的寬度W2相同，則每個開口22A被照射的持續(xù)時間(亮持續(xù)時間)等于開口22A未被照射的持續(xù)時間(暗持續(xù)時間)。即，得到占空比為1的振幅信號。對于光電二極管1a至1d，這些光電流信號的起伏彼此具有偏移90度的相位差。可通過檢查光電流信號的起伏可檢測標尺33的移動方向和移動速度(移動量)。
根據(jù)本實施例，編碼器的分辨率由設置在遮光層22中的開口22A的間距決定。有利的是，不必精細地分割擴散區(qū)與外延區(qū)。更具體而言，在半導體層中分割擴散區(qū)與外延區(qū)，從加工的觀點看會限制最小尺寸，從而不易于進行精細分割。相反，在本實施例中，編碼器的分辨率由設置在遮光層22中的開口22A的尺寸和間距決定。由于遮光層22可由與金屬布線20相同的金屬層形成，因而可在與金屬布線相同的精細設計規(guī)則(最小尺寸)的基礎上形成開口22A。從而，可大大提高編碼器的分辨率。
此外，由與金屬布線相同的金屬層形成遮光層22并使其連接地電勢是有利的，因為這也實現(xiàn)了對光電二極管1a至1d的屏蔽效果。
另外，根據(jù)本實施例，可抑制輸出電流的改變，同時簡化光電二極管的結(jié)構(gòu)。更具體而言，光電二極管的精細間隔要求形成到各個光電二極管的布線，這就使布線結(jié)構(gòu)復雜。相反，在本實施例中，可將光電二極管的數(shù)量減小到要檢測的相位數(shù)量(或者其整數(shù)倍)。例如，在圖1至5所示的光接收器件中，使用四個光電二極管1a至1d可檢測四個相位的(相位A到D)光電流信號。即，可顯著地簡化布線結(jié)構(gòu)。
當形成大量的具有小尺寸的光電二極管時，諸如擴散條件的工藝條件的改變也會使光電流輸出發(fā)生改變。相反，根據(jù)本實施例，可提供相位數(shù)量(或其整數(shù)倍)的大光電二極管，這就減小改變并獲得均勻的光電流輸出。
應當注意，在圖1或5所示的平面結(jié)構(gòu)中，相鄰光電二極管(例如光電二極管1a和1b)之間的區(qū)域也被遮光層22遮蔽。這樣就實現(xiàn)了減小相鄰光電二極管之間“串擾”的效果。例如，在圖1或5中，當照射光電二極管1a和1b之間的區(qū)域時，在這些光電二極管之間有可能發(fā)生由于半導體層中產(chǎn)生的光載流子引起的額外光電流的相互干擾。在這一方面，在圖1和5所示的結(jié)構(gòu)中，通過用遮光層22遮蔽這些光電二極管之間的區(qū)域，可減小光電二極管之間的相互干擾效應。結(jié)果，可增大空間檢測分辨率。由于可從該編碼器獲取更精確的光電流，因而可更精確地獲得與編碼器功能有關的輸出性質(zhì)(占空比，相位差等)。
不過，只要得到所需的分辨率，則在光電二極管之間可不設置遮光層22。即，在圖1或5所示的平面結(jié)構(gòu)中，僅在每個光電二極管1a至1d上設置遮光層22的結(jié)構(gòu)也包含在本發(fā)明范圍之內(nèi)。這也就是下面詳細描述的圖6，29和30中所示結(jié)構(gòu)的情形。
圖6所示的平面透視圖表示本實施例中可使用的光接收器件的第二特定示例。
圖7所示的平面圖表示去除遮光層的該特定示例的光接收器件。
對于這些附圖，用相同數(shù)字標記與參照圖1至5所述的元件相同的元件，且不進行詳細描述。
在該特定示例中，通常也是平行地并置一般為條形結(jié)構(gòu)的沿x-方向(圖6中的水平方向)延伸的第一光電二極管1a至1d。不過，在該特定示例中，通過設置在中間的絕緣區(qū)域30將第一光電二極管1a至1d水平地分成兩部分。可將由嵌入的絕緣體或高阻層形成絕緣區(qū)域30，或者由通過蝕刻掉表面半導體層形成的溝槽形成絕緣區(qū)域30。
在本特定示例中，絕緣區(qū)域30左側(cè)的開口22A的相位與右側(cè)的相位不同。例如，對于第一光電二極管1a，與“相位A”相應的開口22A設置在絕緣區(qū)域30的左側(cè)，而與“相位C”相應的開口22A設置在右側(cè)。如上參照圖3和4所示用通過標尺33的亮/暗圖案照射時，在第一光電二極管1a左側(cè)開口22A部分中以及在第一光電二極管1c右側(cè)開口22A部分中同時產(chǎn)生針對“相位A”的光電流。即，在圖6中垂直方向上(沿y-方向)不同的光電二極管中同時產(chǎn)生光信號。特別是，使用光電二極管1a的左部和光電二極管1c的右部檢測“相位A”，使用光電二極管1b的左部和光電二極管1d的右部檢測“相位B”，使用光電二極管1c的左部和光電二極管1a的右部檢測“相位C”，并使用光電二極管1d的左部和光電二極管1b的右部檢測“相位D”。
由此，即使光照在y-方向具有任何不均勻性，也能得到更均勻的光電流信號。更具體而言，如圖1中所示，在將“相位A”指定給光電二極管1a，將“相位B”指定給光電二極管1b，等等的相位分配條件下，當沿y-方向光照不均勻時，在相位之間光電流輸出是不同的。
相反，根據(jù)該特定示例，由沿y-方向分布的與“相位A”，“相位B”等等相應的光接收部件得到對y-方向的任何不均勻性求平均的光電流輸出。例如，假設光電二極管1a具有較大光照，光電二極管1c具有較小光照。即便在此情形中，根據(jù)該特定示例，也能在這些光電二極管1a和1c中檢測到對于“相位A”的光電流信號，并求平均。
應當注意，雖然圖6和7表示在第一光電二極管的中心區(qū)域設置絕緣區(qū)域30的特定示例，不過本發(fā)明不限于此。更特別地，可為每一個沿x-方向延伸的第一光電二極管1a至1d設置多個絕緣區(qū)域30，將每個光電二極管分成三個或更多部分。就光電二極管的數(shù)量而言，本發(fā)明不限于條形結(jié)構(gòu)設置的四個光電二極管1a至1d。可將多于四個光電二極管并置。例如，可使用后面參照圖21和22所述的結(jié)構(gòu)將光沿x-方向以及y-方向的任何不均勻性求平均。
下面，作為本發(fā)明的第二實施例，將描述消除了光電二極管輸出的光信號中包含的DC分量的光接收器件以及具有這種光接收器件的光學編碼器。
圖8所示的平面透視圖表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例光學編碼器的光接收器件的結(jié)構(gòu)。
圖9所示的平面圖表示去除遮光層的該特定示例的光接收器件。
更具體而言，該特定示例的光接收器件包括沿第一方向(x-方向)延伸、通常為條形結(jié)構(gòu)的第一光電二極管1a至1d和第二光電二極管2a至2c。第一和第二光電二極管1a至2c通常交替地平行并置。第一光電二極管1a至1d的寬度W1大于第二光電二極管2a至2c的寬度W2。不過，本發(fā)明不限于此。寬度W1可等于W2，或者W2可以更大。
圖10所示的示意圖表示本實施例光電二極管的剖面結(jié)構(gòu)的一個示例。即，該附圖是沿圖8中線A-A作出的剖面圖。
在該特定示例中，在p-型硅基片113上形成n-型外延層112，以形成p-n結(jié)光電二極管(1a，2a，…)。這些光電二極管通過p-型分隔區(qū)域111彼此分離。
圖11所示的透視圖表示本實施例光電二極管剖面結(jié)構(gòu)的另一示例。即，該附圖也是沿圖8中線A-A的剖面圖。
在該結(jié)構(gòu)中，在p-型硅基片113上形成n+-型埋入層114，并在n+-型埋入層114上形成n-型外延層112。在平面結(jié)構(gòu)的n-型外延層112的表面中形成p-型擴散區(qū)域115。由擴散區(qū)域115形成的p-n結(jié)構(gòu)成每個光電二極管(1a，2a，…)。
回到圖8，金屬布線20通過電觸點10與光電二極管1a至2c的兩端連接。
如圖8中所示，遮光層22處于第一光電二極管1a至1d上。例如，可由與金屬布線20相同的金屬層形成遮光層22。在這一方面，將遮光層22連接地電勢是有利的，因為這樣還實現(xiàn)了屏蔽效果。遮光層22具有以預定間距形成的開口22A。在圖8中所示的特定示例中，為第一光電二極管1a設置的開口22A之間的間距與后面詳細描述的標尺的亮/暗圖案的間距相匹配。同樣，第一光電二極管1b，1c和1d設有相同間距、分別具有不同相位的開口22A。在該特定示例中，為開口22A形成的間距具有四個相位，即相位A到D。
另一方面，第二光電二極管2a-2c沒有遮光層22。
通過使用第一光電二極管1a至1d進行信號檢測并使用第二光電二極管2a至2c進行DC分量補償，可消除DC分量。即，根據(jù)本實施例，安裝有具有這種獨特結(jié)構(gòu)的光接收器件的光學編碼器，可消除DC分量，實現(xiàn)高靈敏度和寬動態(tài)范圍。將參照編碼器的結(jié)構(gòu)描述這一點。
圖12所示的示意圖表示本實施例編碼器的光接收器件的開口22A與標尺33的間距之間的關系。更具體而言，對于每個光電二極管1a至1d，開口22A的間距與標尺33的亮/暗圖案相匹配。光接收器件與標尺33之間的相對位移改變分別從光電二極管1a至1d獲得的光電流信號。通過檢查該信號改變可確定位移量。此外，在本實施例中，對于第二光電二極管2a至2c的光照量不改變，并且即使在標尺33發(fā)生任何位移的條件下也總能得到恒定量的光電流信號。可使用該光電流信號來消除從第一光電二極管1a至1d得到的光電流信號中包含的DC(直流)分量。導致高靈敏度和寬動態(tài)范圍。
將參照比較例描述這一點。
圖13所示的示意圖表示在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中本發(fā)明者研究的比較例光學編碼器中光接收器件的平面圖案。
在該比較例中，通常為矩形結(jié)構(gòu)的光電二極管(1c，1d，…)分別縱向(y-方向)延伸，并水平(x-方向)排列。光電二極管通過電觸點10依次與四相布線(20a至20d)相連。即，在進行連接時將四個相鄰的光電二極管(1a至1d，2a至2d，3a至3d，4a至4a)當作一組對待。
圖14所示的示意圖表示該比較例中標尺33與光接收器件之間的位置關系。
更具體而言，標尺33的透光圖案34和遮光圖案35的間距通常與光電二極管陣列(1c，1d，…)的間距相匹配。例如，在該圖所示的比較例中，標尺33的一對亮/暗圖案34，35與一組光電二極管(1a至1d，2a至2d)相匹配。
發(fā)光部件31發(fā)出的光透過標尺33，然后在進入光接收部件32之前通過標尺的亮/暗圖案34，35產(chǎn)生亮/暗對比度。光的這種亮/暗對比度使得針對光電二極管的各個相位的光電流產(chǎn)生差異。通過電路檢測和輸出光電流中的這種差異。
圖15表示在使用該比較例的光接收器件時獲得的光信號波形。
當使用該比較例的光接收器件時，標尺33與光接收器件之間的相對位移導致在與光電二極管相連的每個四相布線(20a至20d)中獲得具有圖15中所示波形的光電流。可通過檢測從各個四相布線(20a至20d)獲得的波形隨時間的改變，確定標尺33與編碼器之間的相對位移的方向和相對位移量。
不過，從該比較例光接收器件獲得的光電流的波形，是DC與AC電流分量的組合。此時問題在于光電流具有DC電流分量。如圖14中所示，標尺33使入射在光接收器件上的光產(chǎn)生亮/暗對比度。直線光36透過標尺33的透光圖案34。不過，折射或衍射或來自環(huán)境光的影響使一些額外光37進入遮光圖案35下面的那些最好不接收任何光的光電二極管，從而產(chǎn)生DC分量。相鄰光電二極管之間光或光載流子的串擾也會產(chǎn)生DC分量。
所產(chǎn)生的DC電流分量可會引起以下問題在電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中AC電流分量減弱，產(chǎn)生失真的輸出波形，導致電路的輸出性質(zhì)(占空比和相位差)下降。為了擴展動態(tài)范圍以便克服這一問題，必須增大電源電壓，從而即使對于高光輸入而言AC分量也不會減弱。這樣不利于減小電路的電源電壓。
此外，發(fā)現(xiàn)當減小編碼器的尺寸時，DC分量趨于變得顯著。這是因為隨著尺寸減小光發(fā)射部件31與光接收部件32之間的間隔減小，這樣就減小了從光發(fā)射部件31發(fā)射出且入射到光接收部件32上的光的平行度。從而，在減小光學編碼器尺寸方面也需要改進。
在這一方面，可使用本實施例的光接收器件明顯減少光電流中的DC分量。
圖16所示的透視圖表示本實施例中實現(xiàn)的DC分量消除效果。
如上所述從編碼器獲得的光學信號具有DC和AC分量。如附圖中虛線所示AC分量可能具有相對較大的幅值，或者如附圖中實線所示可能具有相對較小的幅值，這取決于諸如光發(fā)射部件與光接收部件之間的位置關系之類的因素。此處，用B表示小幅值(實線)情形中的振幅，用A表示DC分量的電平。當不采用DC消除時，如上述的圖15中所示，A與B的比值為例如A∶B＝5∶1的量級。
相反，根據(jù)本實施例，可使用第二光電二極管2a至2c的光電流消除DC分量。結(jié)果，如圖16中所示，DC分量的電平可以減小到A∶B＝2∶1或更小。
將用于這種消除目的的電流I2的電流值設定為低于光電流I1?？墒褂脼榈谝还怆姸O管1a至1d提供的開口22A的總面積與第二光電二極管2a至2c的面積的比值來估計光電流的相應數(shù)值(DC電流分量)，并在條件I2＜I1下設定后面所述電流鏡電路的電流比值。
根據(jù)本實施例，減小光電流中的DC分量產(chǎn)生以下效果。
首先，可擴展信號的動態(tài)范圍。更具體而言，通過消除(減去)光電二極管光電流信號的DC電流分量，即便在光發(fā)射部件的光強發(fā)生變化時，也能保持光電流的改變較小。結(jié)果，可擴展電路的輸入動態(tài)范圍。
此外，可減小電路的電源電壓。更具體而言，傳統(tǒng)上需要高電源電壓來擴展電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)范圍。相反，根據(jù)本實施例，由于抑制了光發(fā)射部件光強的改變引起的光電流改變，因而動態(tài)范圍得以擴展。從而，不需要高電源電壓，并且可減小電路的電源電壓。
此外，可增強編碼器輸出性質(zhì)(占空比和相位差)的精度。更具體而言，通過減小DC分量，可提取出具有大幅值AC分量的光電流。從而，可更精確地獲得與編碼器功能(占空比和相位差)有關的輸出性質(zhì)。
此外，易于減小編碼器的尺寸。更具體而言，尺寸減小的光學編碼器在其光發(fā)射部件與光接收部件之間具有小間隔，這減小了入射在光接收部件上的光的平行度。為此，在光接收部件上并未如實地獲得標尺的亮/暗圖案，這樣光衍射引起的DC分量就趨于增大。相反，根據(jù)本實施例，由于可明確、容易地減小DC分量，可減小光學編碼器的尺寸，以保證高分辨率。
另外，編碼器的分辨率由設置在遮光層22中的開口22A的間距決定。有利的是，不需要精細地分割擴散與外延區(qū)域。即，可由與金屬布線20相同的金屬層構(gòu)成遮光層22?？苫谂c金屬布線相同的精細設計原則(最小尺寸)來形成開口22A。從而，還可以極大地增強編碼器的分辨率。
此外，由與金屬布線相同的金屬層形成遮光層22并將其連接地電勢是有利的，因為這還實現(xiàn)了對光電二極管1a至1d的屏蔽效果。
此外，將第二光電二極管2a至2c置于第一光電二極管1a至1d之間。這樣做實現(xiàn)的效果是減小相鄰第一光電二極管1a至1d之間的串擾引起的噪聲。例如，通過在第一光電二極管1a與1b之間設置第二光電二極管2a，可抑制第一光電二極管1a與1b之間由于光電流泄漏所引起的串擾，從而可減小光信號的噪聲電平。
圖17所示的示意圖表示本實施例光學編碼器中可使用的電路。
該附圖表示在具有圖10中所示剖面結(jié)構(gòu)的半導體器件中提供的電路。更具體而言，可在通過在p-型硅基片上形成n-型外延層112而實現(xiàn)的光電二極管周圍設置該電路。
該電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300a至300d以及DC消除部件200。
第一光電二極管(1a至1d)分別與電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300a至300d連接。圖17表示其中一個電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300d的結(jié)構(gòu)。更具體而言，在電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300d中，轉(zhuǎn)換晶體管301和電阻303將流過第一光電二極管1d的光電流轉(zhuǎn)換成電壓進行輸出。盡管圖中未示出，不過其他電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300a至300c具有相同結(jié)構(gòu)。
另一方面，第二光電二極管2a至2d與DC消除部件200相連。此處，可將第二光電二極管2a至2d中的不止一個并聯(lián)連接，或者可以僅連接第二光電二極管2a至2d中的一個。第二光電二極管的陽極接地(Gnd)。陰極與電流鏡電路的參考PNP晶體管201的基極和集電極連接。連接PNP晶體管(202至205)，以便對來自參考PNP晶體管201的電流進行鏡像(mirror)。PNP晶體管(202至205)的集電極通過布線20d與電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300d連接，而布線20d引向第一光電二極管1d至nd的陰極。
盡管圖中未示出，同樣，PNP晶體管202，203和204的集電極分別與電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300a，300b和300c中的第一光電二極管1a，1b和1c的陰極連接。
根據(jù)這種電路結(jié)構(gòu)，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路300d的輸入電流為(I1-I2)。即，可消除(減去)與I2相當?shù)碾娏?。換言之，基于流過第二光電二極管2a(至2d)的光電流產(chǎn)生電流I2，可使用該電流補償從第一光電二極管得到的信號的DC分量。
如果可任意設定電流鏡比值，則可將消除DC電流分量所需的電流I2設定為DC消除的最佳量(電流值)。結(jié)果，可將從電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300得到的輸出信號中的DC分量的大小減小到接近于零。如果電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓具有寬動態(tài)范圍，則也可以為不滿足I2＜I1的設置值。
圖18所示的示意圖表示本發(fā)明可使用的電路的另一特定示例。更具體而言，該附圖表示在如圖11中所示通過在n-型外延層的表面中形成p-型擴散層而實現(xiàn)的光電二極管周圍可設置的電路。
該特定示例的電路也包括電流-電壓轉(zhuǎn)換部件300a至300d以及DC消除部件200。第二光電二極管2a至2d的陰極連接Vcc。陽極與電流鏡電路的參考NPN晶體管211的基極和集電極相連。此處，可與第二光電二極管2a至2d中的不止一個共同地并聯(lián)連接，或者可以僅連接它們中的一個。
連接NPN晶體管(212至215)，以便對來自參考NPN晶體管211的電流進行鏡像。NPN晶體管215的集電極與第一光電二極管1d的陽極相連。
根據(jù)這種電路結(jié)構(gòu)，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路300d的輸入電流為(I1-I2)。即，可消除(減去)與I2相當?shù)碾娏鳌?br> 下面，將描述本實施例的光學編碼器中可使用的光接收器件的另一特定示例。
圖19所示的平面透視圖表示本實施例中可使用的光接收器件的第二特定示例。
圖20所示的平面圖表示去除遮光層的該特定示例的光接收器件。
對于這些附圖，用相同數(shù)字標記與參照圖1到18所述的元件相同的元件，并不再進行詳細描述。
在該特定示例中，通常為條形結(jié)構(gòu)、沿x-方向(圖19中水平方向)延伸的第一光電二極管1a至1d及第二光電二極管2a至2d通常也是交替地平行并置。不過，在該特定示例中，第一光電二極管1a至1d通過設置在它們中間的絕緣區(qū)域30被水平地分成兩個部分。絕緣區(qū)域30可以為嵌入絕緣體或者高阻層，或者為通過蝕刻掉表面半導體層而形成的溝槽。
在該特定示例中，處于絕緣區(qū)域30左側(cè)的開口22A的相位與處于右側(cè)的不同。例如，對于第一光電二極管1a，與“相位A”相應的開口22A設置在絕緣區(qū)域30的左側(cè)，而與“相位C”相應的開口22A設置在右側(cè)。如上參考圖12所述，用通過標尺33的亮/暗圖案照射時，在針對第一光電二極管1a的左開口22A部分以及針對第一光電二極管1c的右開口22A部分中同時產(chǎn)生針對“相位A”的光電流。即，在圖19中垂直方向(沿y-方向)不同的光電二極管中同時產(chǎn)生光信號。特別是，使用光電二極管1a的左側(cè)部分與光電二極管1c的右側(cè)部分檢測“相位A”，使用光電二極管1b的左側(cè)部分與光電二極管1d的右側(cè)部分檢測“相位B”，使用光電二極管1c的左側(cè)部分與光電二極管1a的右側(cè)部分檢測“相位C”，使用光電二極管1d的左側(cè)部分與光電二極管1b的右側(cè)部分檢測“相位D”。
由此，即便光照沿y-方向具有任何不均勻性時，也能得到均勻的光電流信號。更特別地，如圖1中所示，在將“相位A”指定給光電二極管1a，將“相位B”指定給光電二極管1b，等等的相位分配條件下，當沿y-方向光照不均勻時，光電流輸出在相位之間是不同的。
相反，根據(jù)該特定示例，由沿y-方向分布的與“相位A”，“相位B”等等相應的光接收部件得到對沿y-方向的任何不均勻性求平均的光電流輸出。
此外，根據(jù)本實施例，如上面參照圖1到18所述，可使用第二光電二極管2a至2d的輸出消除DC分量。結(jié)果，可提供具有高靈敏度、高動態(tài)范圍和高分辨率的尺寸減小的光學編碼器。
應當注意，盡管圖19和20表示在第一光電二極管的中心區(qū)域設置絕緣區(qū)域30的特定示例，不過本發(fā)明不限于此。更特別地，可為沿x-方向延伸的每個第一光電二極管1a至1d設置多個絕緣區(qū)域30，以便將每個光電二極管分成三個或更多部分。
圖21所示的平面透視圖表示本實施例中可使用的光接收器件的第三特定示例。
圖22所示的平面圖表示去除遮光層的該特定示例的光接收器件。
對于這些附圖，也用相同的數(shù)字標記與參照圖1到20所述的元件相同的元件，并不再進行詳細描述。
在該特定示例中，提供條形結(jié)構(gòu)、沿x-方向延伸的8個光電二極管1a至1h作為第一光電二極管。在這些第一光電二極管之間設置第二光電二極管2a至2g。如上面參照第二特定示例所描述的，第一光電二極管1a至1h通過設置在它們中間的絕緣區(qū)域30分成兩部分。如同第二特定示例，處于絕緣區(qū)域30左側(cè)的開口22A的相位與右側(cè)的不同。
例如，通過光電二極管1a的左側(cè)，光電二極管1c的右側(cè)，光電二極管1e的左側(cè)和光電二極管1g的右側(cè)檢測“相位A”。由此，同時檢測光的各部分沿y-方向和x-方向分布。結(jié)果，將光的二維不均勻性平均，從而可得到更均勻的光電流信號。
此外，根據(jù)該特定示例，如上面參照圖1到18所示，可使用第二光電二極管2a至2g的輸出消除DC分量。結(jié)果，可提供具有高靈敏度、高動態(tài)范圍和高分辨率的尺寸減小的光學編碼器。
圖23所示的平面透視圖表示本實施例中可使用的光接收器件的第四特定示例。對于這一方面，也用相同數(shù)字標記與參照圖1到22所述的元件相同的元件，并且不再進行詳細描述。
該特定示例確保大面積的電極與第一光電二極管1a至1d接觸。更具體而言，為第一光電二極管1a至1d中的每一個形成沿x-方向延伸的電觸點10。對于光電二極管1a至1d而言，與這些電觸點10連接的金屬布線20交替地沿左右方向抽出。例如，用于光電二極管1a的金屬布線20向左抽出，用于光電二極管1b的金屬布線20向右抽出(draw out)。
沿光電二極管1a至1d的縱向形成條形結(jié)構(gòu)的電觸點10。結(jié)果，可沿光電二極管1a至1d的縱向均勻地提取出光電流。因此可在沿光電二極管縱向延伸的電觸點10中提取出光電二極管中產(chǎn)生的光電流。即，可提取出條形光電二極管1a至1d的中心區(qū)域和端部兩者中產(chǎn)生的具有均勻信號強度的光電流，同時抑制光電二極管本身的電阻部件引起的任何損耗。
此外，在該特定示例中，沿光電二極管1a至1d的縱向形成的電觸點10用作遮光層。從而，優(yōu)選地，將電觸點10和開口22A形成為，使得開口22A中除被電觸點10遮蔽的部分之外的面積是恒定的。這樣就使每個開口22A中的光接收面積相等，導致均勻的光輸出。這也是后面詳細描述的圖26，27和28中所示結(jié)構(gòu)的情形。
圖24和25所示的示意圖表示該特定示例的光電二極管的剖面結(jié)構(gòu)。即，這些附圖是沿圖23中線A-A作出的剖面圖。
在圖24所示的結(jié)構(gòu)中，在p-型基片113上經(jīng)由n+-型阻擋層114A，形成n-型外延層114B，以形成p-n結(jié)光電二極管。由p-型區(qū)域111分隔n-型外延層114B的外圍。
在圖25所示的結(jié)構(gòu)中，在p-型基片113上經(jīng)由n+-型阻擋層114A形成n-型外延層114B。在n-型外延層114B的表面中形成平面結(jié)構(gòu)的p-型擴散區(qū)域115，以形成p-n結(jié)光電二極管。通過p-型區(qū)域111分隔其周圍。
在該特定示例中，形成沿第一光電二極管1a至1d的縱向延伸的電觸點10。結(jié)果，可沿每個光電二極管的縱向均勻地提取出光電流。根據(jù)該特定示例，如上面參照圖1到18所述，可使用第二光電二極管2a至2c的輸出消除DC分量。結(jié)果，可提供具有高靈敏度、高動態(tài)范圍和高分辨率的尺寸減小的光學編碼器。
圖26所示的平面透視圖表示本實施例中可使用的光接收器件的第五特定示例。對于該附圖而言，用相同數(shù)字標記與參照圖1到25所述的元件相同的元件，并不再進行詳細描述。
在該特定示例中，第一光電二極管1a至1d中的每一個通過絕緣區(qū)域30分成兩部分。如同第四特定示例，在每個分離部分上形成沿x-方向延伸的電觸點10。
光電二極管1a至1d中的每一個通過絕緣區(qū)域30分隔，并且在其左側(cè)與右側(cè)之間光接收部件的相位發(fā)生偏移。從而，如上面參照第二和第三特定示例所述，可對光在y-方向以及x-方向的任何不均勻性求平均。根據(jù)該特定示例，如上面參照圖1到18所述，可使用第二光電二極管2a至2c的輸出來消除DC分量。結(jié)果，可提供具有高靈敏度、高動態(tài)范圍和高分辨率的尺寸減小的光學編碼器。
此外，在該特定示例中，沿光電二極管1a至1d的縱向形成的電觸點10也用作遮光層。從而，優(yōu)選地，將電觸點10和開口22A形成為，使開口22A中除被電觸點10遮蔽的部分之外的面積是恒定的。這就使每個開口22A中的光接收面積相等，導致均勻的光輸出。
在上述的第二和第三特定示例以及該特定示例中，成條形結(jié)構(gòu)延伸的第一光電二極管通過設置在它們中間的絕緣區(qū)域30分成兩部分。此處，優(yōu)選地，使用絕緣區(qū)域30來調(diào)節(jié)開口22A之間的間隔。
更特別地，當如圖27中所示沒有設置絕緣區(qū)域30時，可根據(jù)標尺33的透光圖案34和遮光圖案35的間距來形成開口22A。在圖27的特定示例中，對于每個光電二極管1a至1d而言，開口22A的間距與標尺33的亮/暗圖案的間距相匹配。即，標尺33的透光圖案部分34的寬度W1和遮光圖案部分35的寬度W2分別為開口22A寬度的兩倍。
相反，當設置絕緣區(qū)域30時，優(yōu)選取決于所述寬度縮小開口22A的寬度。
圖28所示的示意圖表示設置絕緣區(qū)域30的情況下開口22A的寬度。
絕緣區(qū)域30為檢測不到光的死區(qū)。簡單地將這種死區(qū)插入圖27所示的圖案中，導致開口22A的間距發(fā)生一定偏移。此外，插入絕緣區(qū)域30但不改變圖案，僅僅縮小周圍開口22A，導致發(fā)生光電流信號局部減小的問題。
相反，在圖28所示的結(jié)構(gòu)中，用Wpd表示絕緣區(qū)域30在x-方向的寬度，與不設置絕緣區(qū)域30的情形(圖27)相比，形成寬度縮小Wpd的每個開口22A。即，沿x-方向開口22A陣列的間距保持不變，同時縮小每個開口22A的寬度。在相鄰開口22A之間的間隙中形成絕緣區(qū)域30。由此，從第一光電二極管1a至1d的任意部分得到相同大小的光電流信號。
此外，在此情形中，相鄰開口22A在x-方向是不相鄰的，而是隔開Wpd。例如，設置在光電二極管1a左部的開口22A1與設置在第一光電二極管1b左部的開口22A2沿x-方向隔開Wpd。由此，相鄰開口之間提供的間隔消除了透過標尺33的光的漫反射、折射和衍射引起的光的不均勻性，并便于針對每個相位僅提取出具有90度相位差的信號。即，可減小光散射引起的噪聲。
參照特定示例描述了本發(fā)明。不過，本發(fā)明不限于這些特定示例。
例如，圖1和19表示用于光信號檢測的第一光電二極管與用于DC分量消除的第二光電二極管交替設置的特定示例。不過，本發(fā)明不限于此。即，不必在所有相鄰的第一光電二極管對之間都設置用于DC檢測的第二光電二極管。
圖29所示的示意透視圖表示本發(fā)明中可使用的光接收器件的另一特定示例。更具體而言，在該特定示例中，設置沿x-方向延伸的四個第一光電二極管1a至1d，并且在它們的中間設置一個第二光電二極管2a。通過僅僅從一個第二光電二極管2a得到的光電流，可消除相對較小的DC分量。通過減小第二光電二極管占有的面積并將第一光電二極管1a至1d占有的面積增大該數(shù)量，可增大光信號的大小。這樣，有利于減小噪聲和提高靈敏度。
圖30所示的示意透視圖表示本發(fā)明中可使用的光接收器件的另一特定示例。更具體而言，在該特定示例中，相鄰地設置第一光電二極管1a至1d，并且在它們的上面和下面設置第二光電二極管2a和2b。這樣也能去除DC分量。通過增大第一光電二極管1a至1d占有的面積，可增大光信號的大小。這樣有利于減小噪聲和提高靈敏度。
除圖29和30之外，針對第二光電二極管的數(shù)量和排列可想到多種特定示例，這些示例只要包括本發(fā)明的特征，那么也包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。
本領域技術人員對上述光發(fā)射部件、光接收部件、半導體基片、半導體層、電極和電路元件的材料、導電類型、載流子濃度、雜質(zhì)、厚度、位置關系和圖案結(jié)構(gòu)作出的任何適當變型，只要包括本發(fā)明的特征，那么也包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
本領域技術人員在已知結(jié)構(gòu)中適當選擇的上述光學編碼器的任何其他結(jié)構(gòu)，只要包括本發(fā)明的特征，那么也包含在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
雖然用實施例的方式披露了本發(fā)明以便于更好地理解本發(fā)明，不過應當想到，可通過不偏離本發(fā)明原理的多種方法實施本發(fā)明。從而，應當理解本發(fā)明包括在不偏離所附權(quán)利要求所述的本發(fā)明原理的條件下可實施的所示實施例的所有可能實施方式和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于光學編碼器的光接收器件，包括多個第一光電二極管，其沿第一方向并置且沿通常垂直于所述第一方向的第二方向延伸；和設置在所述多個第一光電二極管上的遮光層，所述遮光層設有開口，使得當具有透光圖案和遮光圖案的標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光相繼照射所述多個第一光電二極管中的至少一個和至少另一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光學編碼器的光接收器件，其中將所述開口設置成，當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光相繼照射所述多個第一光電二極管中的至少一個和相鄰一個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光學編碼器的光接收器件，其中在沿所述第二方向上，設置在所述多個第一光電二極管其中之一上的第一開口與最靠近所述第一開口的第二開口之間的間隔基本為零。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光學編碼器的光接收器件，其中所述多個第一光電二極管中的每一個通過沿所述第二方向設置在中心區(qū)域的絕緣區(qū)域被分成第一部分和第二部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于光學編碼器的光接收器件，其中將所述開口設置為，使得當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光不同時照射所述多個第一光電二極管中的每一個的所述第一部分和所述第二部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于光學編碼器的光接收器件，其中將所述開口設置為，當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光同時照射所述多個第一光電二極管中至少兩個的所述第一部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于光學編碼器的光接收器件，其中沿所述第二方向，所述多個第一光電二極管中的一個上設置的第一開口與最靠近所述第一開口的第二開口之間的間隔通常等于該絕緣區(qū)域沿所述第二方向的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于光學編碼器的光接收器件，還包括沿所述第二方向延伸的一個或多個第二光電二極管，且所述第二光電二極管具有一個部分，其中當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光照射到所述部分的面積通常是恒定的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于光學編碼器的光接收器件，其中所述第二光電二極管設置在所述多個第一光電二極管中的至少兩個之間。
10.一種光學編碼器，包括光發(fā)射部件；和與所述光發(fā)射部件相對設置的光接收部件，該光接收部分具有光接收器件，所述光接收器件包括多個第一光電二極管，其沿第一方向并置且沿通常垂直于所述第一方向的第二方向延伸；和設置在所述多個第一光電二極管上的遮光層，所述遮光層設有開口，使得當具有透光圖案和遮光圖案的標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光相繼照射所述多個第一光電二極管中的至少一個和至少另一個。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學編碼器，其中將所述開口設置成，當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光相繼照射所述多個第一光電二極管中的至少一個和相鄰一個。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學編碼器，其中在沿所述第二方向上，設置在所述多個第一光電二極管其中之一上的第一開口與最靠近所述第一開口的第二開口之間的間隔基本為零。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學編碼器，其中所述多個第一光電二極管中的每一個通過沿所述第二方向設置在中心區(qū)域的絕緣區(qū)域分成第一部分和第二部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學編碼器，其中將所述開口設置為，使得當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光不同時照射所述多個第一光電二極管中每一個的所述第一部分和所述第二部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學編碼器，其中將所述開口設置為，當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光同時照射所述多個第一光電二極管中至少兩個的所述第一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學編碼器，其中在沿所述第二方向上，所述多個第一光電二極管其中之一上設置的第一開口與最靠近所述第一開口的第二開口之間的間隔通常等于該絕緣區(qū)域沿所述第二方向的寬度。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學編碼器，還包括沿所述第二方向延伸的一個或多個第二光電二極管，且所述第二光電二極管具有一個部分，其中當所述標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光照射所述部分的面積通常是恒定的。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學編碼器，其中所述第二光電二極管設置在所述多個第一光電二極管中的至少兩個之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學編碼器，還包括計算電路，基于所述多個第一光電二極管提供的信號以及所述一個或多個第二光電二極管提供的信號進行計算。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學編碼器，其中所述計算電路從所述第一光電二極管提供的信號中減去乘以恒定系數(shù)的所述一個或多個第二光電二極管提供的信號。
全文摘要
一種用于光學編碼器的光接收器件，包括多個第一光電二極管，其沿第一方向并置且沿通常垂直于第一方向的第二方向延伸；和設置在所述多個第一光電二極管上的遮光層，所述遮光層設有開口，使得當具有透光圖案和遮光圖案的標尺沿所述第二方向移動時，透過所述透光圖案的光相繼照射所述多個第一光電二極管中的至少一個和至少另一個。
文檔編號G01D5/34GK1773222SQ200510125420
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月12日
發(fā)明者田中明廣 申請人:株式會社東芝