JP3560866B2 - エンコーダ用パッケージの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータ、アクチュエータ、ステージ等の移動体に内蔵して、回転角、移動量、速度、加速度などを検出する代表的な計測装置であるエンコーダのパッケージを製造するエンコーダ用パッケージの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者らがすでに開発し、特開平０８−２６１７９３において開示したエンコーダにおいては、半導体レーザと光導波路とフォトダイオードとが同一基板上に一体化構成されているために、それまでのエンコーダと比べて飛躍的に小型になるという著しい特徴があった。
【０００３】
図４は、上記エンコーダ（以下、このような、半導体レーザと光導波路とフォトダイオードとが同一基板上に一体化構成されているエンコーダをエンコーダチップと呼ぶ）の構造とその動作原理を示す。半導体レーザからの光ビームをポリイミド導波路を通して、エンコーダチップと相対運動をするスケールに当て、それからの戻りビームをエンコーダチップ中央部近くに位置するフォトダイオードで受けて、その光強度の変化から、スケールとエンコーダチップとの相対位置関係を知ることができる。なお、図４において、エンコーダチップの右端近くにマウントされているフォトダイオードは、半導体レーザからの光の一部を受光し、その光電流を、半導体レーザの光出力安定化のために、フィードバックするためのものである。
【０００４】
図５は、上記のエンコーダチップを実装する方法を説明する図である。エンコーダチップ１はヒートシンク２にマウントされ、その入出力端子は、上記の相対位置関係を知るための信号処理やエンコーダチップへの電流供給などを行うＩＣチップ１１のピンに、ワイヤ９、リードピン８を介しして接続される。
【０００５】
エンコーダチップが超小型であっても、パッケージや回路との接続において、所要スペースや重量が従来のものと変わらなければ、エンコーダ本体の小型、軽量という価値が大幅に減少する。また、エンコーダは外部のスケールとの相対移動量や回転角を測定するものであるから、外部スケールとの相対的な位置決めが必要であった。その位置決めの基準はエンコーダチップに存在し、外部スケールとの相対的な位置決めは、エンコーダチップに存在する位置決めの基準を顕微鏡で見ることによって行われてきた。
【０００６】
また、図５に示した実装方法を用いた場合に、エンコーダチップを露出して使用しなければならない場合、光ビームの出射端面に結露や塵の付着が発生し、使用環境に制約をきたした。
【０００７】
エンコーダチップを構成する素子を周囲環境による汚染物から保護するためにはパッケージが必要となる。ところが、このようなパッケージを用いると、エンコーダチップに存在する位置決めのための基準をパッケージの外側から顕微鏡で見ることが困難になり、また、それができたとしても、パッケージ材料が光路を変えて位置決め精度を低下させるので、外部スケールとの相対的な位置決めを従来の方法、すなわち顕微鏡を用いる方法で行うことはほとんど不可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の同一基板上に集積化した小型エンコーダは、パッケージされていないため、周囲環境（湿度その他の汚染物）からの素子の保護、信頼性の観点から、寿命が短いという課題を有していた。また、この課題を解決するために、エンコーダをパッケージしてしまうと、上記のように、顕微鏡を用いて外部スケールとの相対的な位置決めを行うことがほとんど不可能となる。
【０００９】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、周囲環境の影響を受けにくく、しかも、外部スケールとの相対的な位置決めが容易な高信頼性の集積化したエンコーダのパッケージを製造するエンコーダ用パッケージの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明は、半導体レーザ、光導波路、フォトダイオードを同一基板上に一体化構成されたエンコーダチップのパッケージにおいて、ヒートシンクとステムとを一体化し、所定の相互位置関係にある第１の基準線あるいは基準面と第２の基準線あるいは基準面とを、それぞれヒートシンクとステムとに設け、エンコーダチップを前記第１の基準線あるいは基準面に合わせてヒートシンクに固定し、前記エンコーダと前記ヒートシンクとをレーザ光出射窓を有するキャップの中に入れ、前記第２の基準線あるいは基準面はキャップの外に出ているようにして、前記ヒートシンク端面を第３の基準面とし、その第３の基準面をレーザ光出射窓の内面に接触させて、前記キャップとステムとの間を封着してパッケージとする。
【００１１】
このような構成のパッケージにおいては、キャップ内にパッケージされたエンコーダチップがキャップ外部に露出した第２の基準線あるいは基準面と所定の位置関係にあるから、このパッケージを実装する場合に、パッケージ内部のエンコーダチップが外部スケールに対して所定の位置関係にあるようにするには、第２の基準線あるいは基準面と外部スケールとの相対的な位置決めを行えばよく、従来法におけるような、エンコーダチップの顕微鏡による目視は不要となる。
【００１２】
さらに、本発明においては、エンコーダチップからの信号を増幅、演算するＩＣチップをパッケージ内に組み込むことが可能である。キャップ内部のステムあるいはヒートシンクにＩＣチップが固定され、エンコーダチップとＩＣチップ、ならびにＩＣチップと、ステムに絶縁固定されたリ一ドピンとがワイヤで電気的に接続される。
【００１３】
さらに、上記レーザ光出射窓として、シリンドリカルレンズ（円筒面レンズ）、フレネルレンズなどの光を集光する手段が形成された板を用いることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
（第１の参考例）
図１は、この発明に関わる第１の参考例の構成を示す斜視図である。
【００１６】
エンコーダチップ１が固定（マウント）されるヒートシンク２とステム３とは一体形成されている。
【００１７】
ヒートシンク２には位置決めのための第１の基準線あるいは基準面４が存在する。この場合に、第１の基準線は、図中、太い線分で表されている。また、第１の基準面としては、エンコーダチップ１が固定されるヒートシンク２の面を使うことができる。その第１の基準線あるいは基準面４に対し規定の精度でエンコーダチップ１がマウントされる。たとえば、図１に示したように、エンコーダチップ１の光ビーム出射側の稜線を第１の基準線に合わせてエンコーダチップ１をヒートシンク２に固定することによって、稜線に平行な方向を除いて、高精度の位置決めをすることができる。稜線に平行な方向についても位置決めを行う場合には、その方向と交わる基準線あるいは基準面をヒートシンク２に設けて、それにエンコーダチップ１の所定の部位を合わせればよい。
【００１８】
さらに、ステム３に絶縁固定されたリードピン８とエンコーダチップ１を構成する半導体レーザ、フォトダイオードの電極がそれぞれワイヤ９で電気的に接続される。エンコーダチップ１、ヒートシンク２、ならびにステム３の一部がエンコーダチップ１の光ビームの出射側にガラス板５を取り付けたキャップ６の中に入れられ、キャップ６とステム３との間が封着されて、パッケージが完成する。
【００１９】
キャップ６の外に露出したステム３の一部には第１の基準線あるいは基準面４に対して所定の位置関係にある第２の基準線あるいは基準面７が設けられている。図中、符号７を付した直線が第２の基準線であり、それらの直線を共有する面が第２の基準面となる。
【００２０】
エンコーダチップ１は第１の基準線あるいは基準面４に対し規定の精度でマウントされ、その第１の基準線あるいは基準面４は第２の基準線あるいは基準面７と一定の位置関係にあるから、結局、この第２の基準線あるいは基準面７はエンコーダチップ１と一定の位置関係にあり、この一定位置関係によって、この第２の基準線あるいは基準面７を、エンコーダチップ１と測定対象物体に取り付けた外部スケール（たとえば回折格子）との位置決めに用いることができる。
【００２１】
（第２の参考例）
次に、この発明の他の参考例を説明する。
【００２２】
図２は第２の参考例の構成を示す斜視図である。
【００２３】
なお、以下に述べる参考例において、上述した第１の参考例と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。本参考例においても、第１の参考例と同じ方法によって、エンコーダチップ１をヒートシンク２にマウントするので、第１の参考例と同様に、第２の基準線あるいは基準面７は、エンコーダチップ１と測定対象物体に取り付けた外部スケール（たとえば回折格子）との位置決めに用いることができる。
【００２４】
図２に示したように、エンコーダチップ１とリードピン８との間に、信号を増幅するＩＣチップ１１をヒートシンク２上にマウントした形でキャップ６内に収納することが可能であり、その場合、エンコーダチップ１とＩＣチップ１１、ＩＣチップ１１とリードピン８間は、ワイヤ９で電気的に接続される。これにより、ＩＣチップを含めたエンコーダシステム全体の容積を著しく小さくすることができ、しかも、エンコーダチップ１とＩＣチップ１１とが近接しているので、ノイズの少ない高精度な計測が可能になる。
【００２５】
（実施の形態）
図３は本発明の実施の形態の構成を示す斜視図である。
【００２６】
なお、以下に述べる実施の形態において、上述した第１の参考例と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。本実施の形態においても、第１の参考例と同じ方法によって、エンコーダチップ１をヒートシンク２にマウントするので、第１の参考例と同様に、第２の基準線あるいは基準面７は、エンコーダチップ１と測定対象物体に取り付けた外部スケール（たとえば回折格子）との位置決めに用いることができる。
【００２７】
本実施の形態においては、ガラス板５を除いて、素子の構成は第１の参考例と同じである。このガラス板５の代わりに、シリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成された板１０を用いる。このような板は、例えば、アクリル樹脂を圧縮成形で成形することにより得ることができる。このシリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成された板１０は、エンコーダチップ１内の光導波路から出射した光を垂直方向に関して集光する作用をもち、出射光をコリメート（平行光化）し、あるいは集光するために用いることができる。そのため、光検出効率が向上し、レーザの光出力を下げることが可能となり、消費電力も少なくなる。
【００２８】
本実施の形態の形態においては、シリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成された板１０とエンコーダチップ１とが所定の相互位置関係にあるようにしなければならない。この位置決めを容易に行う方法としては、ヒートシンク２の端面（図３において左側の垂直端面）が第１の基準線あるいは基準面４と所定の位置関係にあるようにし、パッケージ製作時に、その端面を第３の基準面とし、その面をシリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成された板１０に接触させて位置決めを行う方法が有効である。この場合に、前記端面（第３の基準面）をシリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成された板１０に、キャップ６の内側から接触させて、前記キャップと前記ステムとの間を封着すればよい。
【００２９】
上記第１ないし第２の参考例および上記実施の形態においては、ヒートシンク２とステム３とが一体形成されていたが、両者を別々に形成した後に一体化してもよい。一体化の手段としては半田付け、銀ろう付け、ねじ留めなどを用いることができる。これによって、ヒートシンク、ステムそれぞれの形成工程が簡単になり、しかも、別々の材料を用いることもできる。この場合に、基準線あるいは基準面の形成は一体化工程前に行ってもよいし、一体化工程後に行ってもよい。ただし、基準面の形成を一体化工程前に行う場合には、一体化工程において位置決めが必要になるが、この場合にも本発明に係る位置決め方法を有効活用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るエンコーダ用パッケージの製造方法においては、エンコーダと外部スケールとの間の位置決めが容易であり、しかも、エンコーダチップを外部雰囲気から遮断することができるため、エンコーダの長寿命化を達成することができる。また、この発明に係るエンコーダ用パッケージの製造方法によって製造されるエンコーダ用パッケージにおいては、ガラス板の代わりにシリンドリカルレンズシートあるいはフレネルレンズシートを実装することにより、縦方向に拡がった光ビームを平行化したり、集光したりすることができるから、感度を向上させることができる。さらにエンコーダチップの信号を増幅、演算するするＩＣチップをエンコーダチップに近接して配置することにより、エンコーダシステム全体の小型化とノイズの少ない高精度な計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるエンコーダ用パッケージの第１の参考例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係わるエンコーダ用パッケージの第２の参考例を示す斜視図である。
【図３】本発明に係わるエンコーダ用パッケージの実施の形態を示す斜視図である。
【図４】従来の半導体レーザ、光導波路、フォトダイオードを同一基板上に一体化構成したエンコーダチップとその動作原理を示す斜視図である。
【図５】従来の半導体レーザ、光導波路、フォトダイオードを同一基板上に一体化構成したエンコーダチップを実装する方法を説明する斜視図である。
【符号の説明】
１…エンコーダチップ、２…ヒートシンク、３…ステム、４…第１の基準線あるいは基準面、５…ガラス板、６…キャップ、７…第２の基準線あるいは基準面、８…リードピン、９…ワイヤ、１０…シリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成された板、１１…ＩＣチップ。

Claims (4)

1. 半導体レーザと光導波路とフォトダイオードとが同一基板上に構成されたエンコーダチップのパッケージであり、前記エンコーダチップはヒートシンクに固定され、前記ヒートシンクはステムと一体化され、前記エンコーダチップと前記ヒートシンクとはレーザ光出射窓を有するキャップの中に入れられ、前記ヒートシンクには前記エンコーダチップ位置決めのための第１の基準線あるいは基準面があり、前記キャップの外部にある前記ステムの一部分には前記第１の基準線あるいは基準面に対して予め定められた相対位置関係にある第２の基準線あるいは基準面があるエンコーダ用パッケージを製造する方法であり、前記エンコーダチップを前記第１の基準線あるいは基準面に対し規定の位置精度で前記ヒートシンクに固定する工程を有するエンコーダ用パッケージの製造方法であって、
   前記エンコーダチップを前記ヒートシンクに固定する工程の後に、前記ヒートシンク先端に設けられた第３の基準面を前記レーザ光出射窓の内面に接触させて前記エンコーダチップと前記レーザ光出射窓との間の位置決めを行い、前記キャップと前記ステムとの間を封着する工程を有することを特徴とするエンコーダ用パッケージの製造方法。
2. 半導体レーザと光導波路とフォトダイオードとが同一基板上に構成されたエンコーダチップのパッケージであり、前記エンコーダチップはヒートシンクに固定され、前記ヒートシンクはステムと一体化され、前記エンコーダチップと前記ヒートシンクとはレーザ光出射窓を有するキャップの中に入れられ、前記ヒートシンクには前記エンコーダチップ位置決めのための第１の基準線あるいは基準面があり、前記キャップの外部にある前記ステムの一部分には前記第１の基準線あるいは基準面に対して予め定められた相対位置関係にある第２の基準線あるいは基準面があり、前記キャップ内部に、前記エンコーダチップからの信号を増幅、演算するＩＣチップが固定され、前記エンコーダチップと前記ＩＣチップとの間、ならびに前記ＩＣチップと前記ステムに絶縁固定されたリードピンとの間が、それぞれワイヤで電気的に接続されているエンコーダ用パッケージを製造する方法であり、前記エンコーダチップを前記第１の基準線あるいは基準面に対し規定の位置精度で前記ヒートシンクに固定する工程を有するエンコーダ用パッケージの製造方法であって、
   前記エンコーダチップを前記ヒートシンクに固定する工程の後に、前記ヒートシンク先端に設けられた第３の基準面を前記レーザ光出射窓の内面に接触させて前記エンコーダチップと前記レーザ光出射窓との間の位置決めを行い、前記キャップと前記ステムとの間を封着する工程を有することを特徴とするエンコーダ用パッケージの製造方法。
3. 半導体レーザと光導波路とフォトダイオードとが同一基板上に構成されたエンコーダチップのパッケージであり、前記エンコーダチップはヒートシンクに固定され、前記ヒートシンクはステムと一体化され、前記エンコーダチップと前記ヒートシンクとはレーザ光出射窓を有するキャップの中に入れられ、前記ヒートシンクには前記エンコーダチップ位置決めのための第１の基準線あるいは基準面があり、前記キャップの外部にある前記ステムの一部分には前記第１の基準線あるいは基準面に対して予め定められた相対位置関係にある第２の基準線あるいは基準面があり、前記レーザ光出射窓にレーザ光を集光する機能を有するシリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成されているエンコーダ用パッケージを製造する方法であり、前記エンコーダチップを前記第１の基準線あるいは基準面に対し規定の位置精度で前記ヒートシンクに固定する工程を有するエンコーダ用パッケージの製造方法であって、
   前記エンコーダチップを前記ヒートシンクに固定する工程の後に、前記ヒートシンク先端に設けられた第３の基準面を前記レーザ光出射窓の内面に接触させて前記エンコーダチップと前記レーザ光出射窓との間の位置決めを行い、前記キャップと前記ステムとの間を封着する工程を有することを特徴とするエンコーダ用パッケージの製造方法。
4. 半導体レーザと光導波路とフォトダイオードとが同一基板上に構成されたエンコーダチップのパッケージであり、前記エンコーダチップはヒートシンクに固定され、前記ヒートシンクはステムと一体化され、前記エンコーダチップと前記ヒートシンクとはレーザ光出射窓を有するキャップの中に入れられ、前記ヒートシンクには前記エンコーダチップ位置決めのための第１の基準線あるいは基準面があり、前記キャップの外部にある前記ステムの一部分には前記第１の基準線あるいは基準面に対して予め定められた相対位置関係にある第２の基準線あるいは基準面があり、前記キャップ内部に、前記エンコーダチップからの信号を増幅、演算するＩＣチップが固定され、前記エンコーダチップと前記ＩＣチップとの間、ならびに前記ＩＣチップと前記ステムに絶縁固定されたリードピンとの間が、それぞれワイヤで電気的に接続され、前記レーザ光出射窓にレーザ光を集光する機能を有するシリンドリカルレンズあるいはフレネルレンズが形成されているエンコーダ用パッケージを製造する方法であり、前記エンコーダチップを前記第１の基準線あるいは基準面に対し規定の位置精度で前記ヒートシンクに固定する工程を有するエンコーダ用パッケージの製造方法であって、
   前記エンコーダチップを前記ヒートシンクに固定する工程の後に、前記ヒートシンク先端に設けられた第３の基準面を前記レーザ光出射窓の内面に接触させて前記エンコーダチップと前記レーザ光出射窓との間の位置決めを行い、前記キャップと前記ステムとの間を封着する工程を有することを特徴とするエンコーダ用パッケージの製造方法。

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