专利名称：导光式编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种编码器，尤指一种导光式编码器，该编码器可以增加信号生成的数目，提高鼠标器的解析度。
对于一般电脑，通常包括主机、监视器、及键盘，借监视器显示所处理的资料。在标准的101键的键盘上，配置有方向键(上、下、左、右)，借助这些方向键，移动游标在屏幕上的位置，以便资料的输入和处理。就一般文字资料处理而言，这类方向键已可以足够快速度来移动游标。
但是，随着软件的进步，其功能也愈来愈强，例如CAM/CAD等绘图软件，由于分别将指令表列在屏幕上，同时可以直接利用游标来选择或执行游标所在位置的指令，此外，尚可以利用游标来选择或执行画图的动作，在此情况下，键盘上的方向键，其所提供的速度，便无法满足使用者的需求了。另外，键盘上的方向键，仅能做单一方向(水平方向或垂直方向)的移动，因而成为对这类软件使用上的一大限制。
于是便有人发明出一种称为“鼠标器”的装置，这种鼠标器可以快速地移动屏幕上的游标，满足了使用者的需求，也使这类软件发挥了预期效果。这种能够快速移动游标的鼠标器可以分成机械式与光学式两种。本发明所提供的导光式编码器，可应用在机械式鼠标器上。
在机械式鼠标器上，其结构大体上包括一架体，内部可以安装一片电路板，其中央具有一个孔洞，可以安置一轨迹球，该轨迹球可以自由地在孔洞内滚动;而在架体上，设有一对编码器，每一组编码器都包括一栅轮，栅轮上具有多条可以透光的细缝，相邻的每两条细缝间，都间隔着一道不透光部分，此外，栅轮的心轴向着该轨迹球延伸，并且与该轨迹球成滚动摩擦，故轨迹球滚动时，栅轮也跟着旋转;另个在栅轮的两侧，分别设有一对光源与感测器，两对光源与感测器分别间隔一定的角位差，同时配合细缝的宽度，当栅轮转动时，光源LED(发光二极管)所发出的光，会受到栅轮上不透光部分的遮蔽，以及接收到光源LED所发出的光，这两种情形可以用(0，1)来表示，其中1表示透光，0表示不透光，在栅轮连续旋转(不论是顺时针或是逆时针)时，便可得到(1，1)、(0，1)、(1，0)和(0，0)四个信号。这些信号经过电路板转换后，便可以移动屏幕上的游标。而编码器有两组，故可以分别控制水平方向和垂直方向上的移动，或者是屏幕上任何一个方向上的移动。
图1所示为其中一组编码器。
然而，为达到精确控制游标的移动，可不断利用新技术来增加细缝的数目，但是，细缝数目增加，在不增加栅轮的直径时，每相邻两个细缝间的夹角便会愈来愈小，因此细缝数目也不能无限制增加，而是有一定限制，举例说，在现有的鼠标器中，感测器上配有两片感光晶片，其间的距离为0.94厘米，而在栅轮的透光与遮光中，遮光的距离与两感光晶片间的距离之比为4∶3，若栅轮的直径为7厘米，则栅轮上透光细缝的数目最多不能超过15(这数目的数学式，将于后文推演)。如果栅轮上的透光细缝数目超过此上限，则会出现绕射现象，当这种情形发生时，光源LED发出的光线，就无法被栅轮的不透光部分遮蔽，从而造成感光晶片“永远”被光源照着，在这种情况下，不论栅轮如何旋转，其发出的信号永远为(1，1)。
故本发明的目的即在于提供一种导光式编码器，它可以在不增加栅轮直径的情况下，增加信号的产生数目，但却不会发生绕射现象。
为达到本发明的目的，所提供的导光式编码器包括一编码栅轮，包含栅轮本体和一中心轴孔，该栅轮可以中心轴孔可转动地固定在一转轴上，同时可由一传动装置，如一轨迹球驱动使其旋转，该编码栅轮上还包含多个导光装置，以固定的角位间隔安设在栅轮的周缘上，同时在这些导光装置的前端，在编码栅轮上另具有一光线接收装置，它以径向方式设置在该栅轮上，而栅轮本体则形成导光装置与该光线接收装置的光通道;一光源装置，设置在编码栅轮附近，使光线射向该栅轮;以及一感测装置，该感测装置设置在栅轮的周缘，用以接收由光线的导光装置发射出来的光线，同时发出一信号。
在本发明导光式编码器的一个较佳实施例中，所述光线接收装置在中心轴孔的相对一侧限定出一个锥形空间，以便将射向栅轮的光线反射到设置在栅轮周缘的导光装置上。
在本发明导光式编码器的一个较佳实施例中，所述光线接收装置为多个贯穿栅轮本体的通道，该通道的截面为梯形，其斜面朝向设置在周缘的导光装置，以便将射向栅轮的光线反射到设置在栅轮周缘的导光装置上。
在本发明导光式编码器的一个较佳实施例中，所述光线接收装置为设在栅轮本体上的环形槽道，该环形槽道具有三角形的截面，其斜边朝向设置在周缘的导光装置，以便将射向栅轮的光线反射到设置在栅轮周缘的导光装置上。
在本发明导光式编码器的一个较佳实施例中，所述导光装置具有圆球形的头部，以便将接收的光线聚集在一有效区域中。
在本发明导光式编码器的一个较佳实施例中，所述导光装置具有矩形的头部，以便将接收的光线射向一有效区域中。
在本发明导光式编码器的一个较佳实施例中，所述栅轮本体是用透光材料制成的，如用玻璃、压克力(聚丙烯酸等材料)或聚碳酸酯等材料制成。
在本发明导光式编码器的一个较佳实施例中，所述光源装置所设置的位置，使其射出的光线与栅轮成垂直方向。
本发明的其他优点与目的，从以下结合附图所示的实施例的详细说明中，将可进一步了解。其中，图1为习知的导光式编码轮的立体图;
图2为本发明导光式编码轮的立体图;
图3a为依据本发明导光式编码轮的第一实施例的顶视图;
图3b为依据本发明导光式编码轮的第一实施例的剖视图;
图3c为依据本发明导光式编码轮的第一实施例的底视图;
图3d为依据本发明导光式编码轮的第一角位的信号产生示意图;
图4a为依据本发明导光式编码轮的第二实施例的顶视图;
图4b为依据本发明导光式编码轮的第二实施例的剖视图;
图4c为依据本发明导光式编码轮的第二实施例的底视图;
图4d为依据本发明导光式编码轮的第二角位的信号产生示意图;
图5a为依据本发明导光式编码轮的第三实施例的顶视图;
图5b为依据本发明导光式编码轮的第三实施例的剖视图;
图5c为依据本发明导光式编码轮的第三实施例的底视图;
图5d为依据本发明导光式编码轮在每三角位的信号产生示意图;
图6为依据本发明导光式编码轮在感光晶片受到光源照射时所产生信号的示意图;
图7为本发明的导光式编码器与习用的导光式编码器的比较示意图。
参考图2所示，依据本发明的编码器1，主要包括一编码栅轮10、光源装置20、以及光源感测器30。由光源装置20发出的光线，垂直于编码栅轮10，而光源感测器30则设置在靠近编码栅轮10的周缘位置。
请参考图2及图3a，3b与3c，依据本发明的第一实施例，其中编码器1包括一编码栅轮10，其包含一栅轮本体11和一圆柱体12，圆柱体12中央有一锥形部分13，而另一侧有一中心孔洞，可以套设在轴杆上(图中未示出)，并利用一传动元件，如轨迹球来驱动，使其旋转。栅轮本体11用透光材料制成，因此光线可以在其内通过;编码栅轮本体11进一步包含一光线接收装置14，在本实施例中，该光线接收装置为一圆盘部分14，位于圆柱体12的另一侧，圆盘部分14的中央有一凹陷部分141，使该圆盘14构成一个聚光透镜15，可以将光源20所照射的光线聚集在栅轮本体11内部，同时透过锥形部分13的斜面，将光线射向栅轮的周缘部分。该栅轮11进一步包含多个导光装置16′，这些导光装置以固定的角位间隔安设在栅轮11的周缘上，并将锥形部分13斜面反射来的光线经过聚集后射向栅轮11的周缘外测。一光源装置20，为一发光二极管或类似的装置，该光源装置20设置在编码栅轮11附近，且其射出的光线与该栅轮垂直;以及一感测装置30，该感测装置30包括两个感测晶片31、32，两感测晶片31、32彼此间隔适当距离，设置在栅轮11周缘，以接收由光线导光装置16发射出来的光线，进而在感测到该光线后，送出一感应信号。
此外，由图中可以看到，这些光线导光装置16具有一个圆形的头部分161，利用该圆形的头部161，可将光线聚成一光束，并照射在光源感测器30上。此外，每两个相邻的光线导光装置16之间，间隔着一凹陷部分162，由于这个部分会形成凹透镜的效果，因此由此部分射出的光线为发散光线，无法聚集，故不会令光源感测器30感测到其所射出的光线。因此，当栅轮11转动时，这些导光装置16便会将光源转换成一条光带，在该光带上，有着明暗明暗的间隔，如图6所示(其中划有斜线的部分表示阴影部分，而无斜线部分则表示光照部分)，再配合感测晶片31、32间的距离，便会产生(1，1)、(0，1)、(1，0)和(0，0)四种信号。栅轮11不断地转动，信号便不断地重复产生。然后将这些连续的信号转换成可以移动游标的信号，从而使屏幕上的游标不断地移动。
请参阅图3d所示，该图表示出栅轮11转动时其转动角度与感光晶片31、32间的相互关系图。在0°时，导光装置16头部161发出的光线刚好射在感光晶片31的感光范围内，从而使感光晶片31发出一个(1)的信号，而导光装置16′的头部161′发出的光线，则尚未进入感光晶片32的感光范围，故其发出一个(0)的信号，因此感光晶片31、32所发出的信号组合为(1，0)。在2.25°时，信号仍为(1，0)，进入4.5°时，则为(0，0)信号，进入6.75°时，仍为(0.0)信号，9°时，仍为(0，0)信号，11.25°时，信号转换成(0，1)，进入13.5°时，仍为(0，1)，在15.75°时，信号仍为(0，1)，但进入18°时，信号便转换成(1，1)，如此周而复始，信号便不断地产生，游标也跟着信号的变换而移动。
由于编码栅轮11在旋转一圈后，其产生的信号愈多，则其解析度愈高，但是也必须克服光线的绕射问题。以下便分析编码栅轮11在不会出现光线绕射下，其所能拥有的最大导光装置16或细缝(习知栅轮)的数目。
请参阅图6与图7所示，两个感光晶片31、32的距离以L2来表示，而L1则表示栅轮11的导光装置16头部161的光照范围与不发光的凹陷部分162之间的距离，其中L2与L1的比例为3∶4。而由图7可知，每两个相邻导光装置16的夹角为A，感光晶片31、32的中心点与栅轮11中心的距离为r，感光晶片31、32以栅轮11中心的夹角为a，由以上参数可得N＝360/A A＝360/NL2∶L1＝a∶A a＝3A/4a＝270/N…………………(1)
又a/2＝sin-1(L2/2r)a＝2sin-1(L2/2r)…………(2)合并(1)与(2)，可得N＝135/sin-1(L2/2r)………(3)因此，以栅轮11的直径为7厘米为例，L2＝两感光晶片间距离＝0.94厘米，如图3a与3b所示，习知编码器所采用的遮光式栅轮叶片必须完全遮断LED光源，已知叶片直径D＝7厘米，晶片宽度0.8厘米，所以晶片作用距离为叶片半径减晶片宽度的一半r＝(7/2-0.8/2)厘米＝3.5厘米-0.4厘米＝3.1厘米将该数值代入(2)，可得N＝135/sin-1(0.94/6.2)＝15.48叶片数目不可能有小数点，必须取整数值，取16则叶片无法完全遮断LED光源，故取15。
而以本发明的导光式栅轮11为例，因红外器件旋转距离为距叶片0.5厘米处，所以其实际作用距离＝叶片半径+红外器件与叶片间距。
将该数值代入(2)，可得r＝(7/2+0.5)厘米＝4厘米，故2r＝8厘米N＝135/Sin-1(0.94/8)＝21.01叶片数目不可能有小数点，必须取整数值，取21则叶片无法完全遮断LED光源，故取20。
由以上分析可知，在采用本发明的栅轮11的导光装置16以后，在不增加栅轮11的直径情况下，可以将导光装置16的数目由原来的15提高至20，解析度立即提高了25%，同时完全不会出现光线绕射现象。
在本发明的第一实施例中，导光装置16的头部161为一圆球形，具有聚集光线的功能，但是，它也可以被制成矩形体，而将光线投射到感光晶片31、32上。
图4a，4b，与4c所示为本发明的第二实施例，其中主要元件均与第一实施例相同，编码栅轮110，包含栅轮本体111，其中央有一个圆柱体112。栅轮本体111由透光材料制成，例如玻璃，压克力等。编码栅轮111可以安装在适当的轴杆上，并利用一轨迹球(图中未示出)来驱动。在编码栅轮111上，设有多个聚光透镜113，以将照射在该编码栅轮111上的光线，聚集到编码栅轮111的内部。在对应于该聚光透镜113处，配置有凹陷部分114，凹陷部分114具有一个梯形的截面，而其斜边115则斜向该编码栅轮111的周缘;与第一实施例相同，该栅轮111包含多个导光装置116，这些导光装置116可以将由斜边115照射来的光线，经过聚光(如经过圆球形的头部1161)后，照射到感测晶片31、32上，以便产生可以控制游标的移动。
在本发明的第二实施例中，导光装置116的头部1161可为一圆球形，其具有聚集光线的作用，但是，它也可以被制成矩形体，而将光线投射到感光晶片31、32上。
图4d示出栅轮111转动时其转动角度与感光晶片31、32间的相互关系图。由于其与图3d所示类似，故不再重复。
图5a、5b与5c示出本发明的第三实施例，其中主要元件均与第一实施例相同，编码栅轮210，包含栅轮本体211，其中央有一个圆柱体212。栅轮本体211由透光材料制成，例如玻璃，压克力等。编码栅轮210可以安装在适当的轴杆上，并利用一轨迹球(图中未示出)来驱动。在编码栅轮210上有一圆柱体部分212，以及一圆盘部分213。在该栅轮本体211上，还有一环形槽道214，该环形槽道214具有三角形的截面，其斜边215朝向栅轮210的周缘，与前述两实施例类似。该栅轮还包含多个导光装置216，这些导光装置216可以将由斜边215照射来的光线经过聚光(如经过圆球形的头部2161)后照射到感测晶片31、32上，以便产生可以控制游标的移动。
在本发明的第三实施例中，导光装置216的头部2161可为一圆球形，其具有聚集光线的作用，但是，它也可以被制成矩形体，而将光线投射到感光晶片31、32上。
图5d示出栅轮210在转动时其转动角度与感光晶片31、32间的相互关系图。由于其与图3d所示类似，故不再重复。
本发明的导光式编码器除运用在上述实施例的鼠标器上外，亦可运用在其他光学产品(如扫瞄器、轨迹球等)上。
以上仅为本发明的一些较佳实施例而已，凡依本发明精神所做的各种变化修改，均应包括在所附的权利要求范围内。
权利要求
1.一种导光式编码器，其特征在于，该编码器包括一编码栅轮，包含一栅轮本体和一中心轴孔，该栅轮可以该中心轴孔可转动地固定在一转轴上，同时可由一传动装置驱动使其旋转；所述编码栅轮还包含多个导光装置，以固定的角位间隔安设在栅轮的周缘上；一光线接收装置，以径向方式设置在该栅轮上，所述栅轮同时形成该导光装置与该光线接收装置的光通道；一光源装置，设置在所述编码栅轮附近，以便将光线射向该栅轮；以及一感测装置，设置在所述栅轮的周缘处，用以接收由所述光线导光装置所发射出来的光线，并在感测到该发射出的光线后，发出一信号。
2.如权利要求1所述的导光式编码器，其特征在于，所述光线接收装置为在所述中心轴孔的相对一侧限定出的一个锥形空间，以便将射向所述栅轮的光线反射到设置在所述栅轮周缘的导光装置上。
3.如权利要求1所述的导光式编码器，其特征在于，所述光线接收装置为多个贯穿栅轮本体的通道，该通道的截面为梯形，其斜面朝向设置在周缘的所述导光装置，以便将射向所述栅轮的光线反射到设置在所述栅轮周缘的导光装置上。
4.如权利要求1所述的导光式编码器，其特征在于，所述光线接收装置为设在所述栅轮本体上的环形槽道，该环形槽道具有三角形截面，其斜边朝向设置在周缘的所述导光装置，以便将射向所述栅轮的光线反射到设置在所述栅轮周缘的导光装置上。
5.如权利要求1所述的导光式编码器，其特征在于，所述导光装置具有圆球形的头部，用以将接收的光线聚集在一有效区域。
6.如权利要求1所述的导光式编码器，其特征在于，所述导光装置具有矩形的头部，用以将接收的光线射向一有效区域。
7.如权利要求1所述的导光式编码器，其特征在于，所述栅轮本体是用透光材料制成的，如用玻璃、压克力或聚碳酸酯等材料制成。
8.如权利要求1所述的导光式编码器，其特征在于，所述光源装置所设置的位置，使其所射出的光线与所述栅轮成垂直方向。
9.一种导光式编码器，其特征在于，该编码器包括一编码栅轮，包含一栅轮本体和一中心轴孔，该栅轮可以该中心轴孔可转动地固定在一转轴上，同时可由一传动装置驱动使其旋转;所述编码栅轮还包含多个导光装置，以固定的角位间隔安设在栅轮的周缘上;一光线接收装置，以径向方式设置在该栅轮上，所述栅轮同时形成该导光装置与该光线接收装置的光通道;一光源装置，设置在所述编码栅轮中心，并将光线射向该栅轮的周缘;以及一感测装置，设置在所述栅轮的周缘处，用以接收由所述光线导光装置发射出来的光线，并发出一信号。
10.如权利要求9所述的导光式编码器，其特征在于，所述导光装置具有圆球形的头部，用以将接收的光线聚集在一有效区域。
11.如权利要求9所述的导光式编码器，其特征在于，所述导光装置具有矩形头部，用以将接收的光线射向一有效区域。
12.如权利要求9所述的导光式编码器，其特征在于，所述栅轮本体是用透光材料制成的，如用玻璃、压克力或聚碳酸酯等材料制成。
全文摘要
一种导光式编码器，包括编码栅轮，其包含栅轮本体和一中心轴孔，该栅轮可以中心轴孔可转动地固定在一转轴上，同时可由一传动装置驱动使其旋转，多个导光装置，以固定角位间隔安设在栅轮周缘上，一光线接收装置，以径向方式设置在栅轮上，该栅轮同时形成导光装置与光线接收装置的光通道；光源装置，设在编码轮附近，使光线射向该栅轮；以及一感测装置，设在栅轮的周缘，以接收由导光装置射出的光线，并发出一信号。
文档编号G06F3/033GK1103498SQ9312056
公开日1995年6月7日 申请日期1993年12月2日 优先权日1993年12月2日
发明者曾吉旺 申请人:旭丽股份有限公司, 曾吉旺