反射传感器的制作方法

专利名称：反射传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反射传感器，其将光发射元件发射的光照射在被测 对象上，由此在光接收元件处接收反射的光，并基于接收到的光量改变 检测对象的位移。
背景技术：
图23是示出相关技术中反射编码器的透视图。图24示出其XZ截 面。图25示出与对应于X轴的位移检测轴垂直的YZ截面。光线从 LED芯片形成的光发射元件1发射， 一部分光由反射刻度板2反射并 通过由含有信号处理电路的光IC芯片组成的光接收元件3接收。均为 半导体器件的^射元件l和光接收元件3被贴片粘结(die-bond)于印
刷电路J4！ 4，并被由透光树脂5和透明玻璃基板6组成的透明部件覆 盖。所述光发射元件l、光接收元件3、印刷电路板4、树脂5和透明玻 璃基板6构成检测头7。
另一方面，反射刻度板2由反射刻度;H^材8以及包括反射层9和 另一反射层10的反射层形成部分11构成。在日本未决专利公开No. 2003-337052中公开了上述类型的>^射编码器。
图26是示出日本未决专利公开No. 2004-6753中公开的相关技术 的另一反射编码器的检测头部分的透视图。图27是其截面图。在衬底 12上以预定形状形成电路图案12a。具有M射区13a的M射元件13 以及具有光接收区14a并包括信号处理电路的光接收元件14被贴片粘 结于电路图案12a。 M射元件13和光接收元件14的每一端通过导线 15连接。
M射元件13、光接收元件14和导线15被由透明树脂材料和透明 玻璃14117组成的包围层16所覆盖。如图27所示，包围层16的高度
需要等于或大于光发射元件13和光接收元件14的高度。通过考虑导线 15的环高度和将光学半导体组件固定于衬底12的边缘确定包围层16的 厚度。
如图26和27所示，在光发射元件13和光接收元件14的几乎中间 点处形成光防护墙18。在紧接光防护墙18的正下方设置电路图案 12a。如图27所示，通过利用阻光树脂填充宽度为W的槽来形成光防 护墙18。在利用阻光树脂填充之前槽的深度d略小于包围层16和透明 玻璃^L17的总厚度，以保护衬底12上的电路图案12a。
提供光防护墙18以防止从光发射元件13的M射区13a发射的光 透过包围层16传播并iiX光接收元件14的光接收区14a。
对于置于光发射元件13和光接收元件14之间的光防护部件，在通 用器件(例如反射传感器和反射光中断器)已经提出了各种方法，这些 方法中的一些在下列文献中有所公开，日本未决专利No, 2000-277796、日本专利No. 3782489和日本专利No. 3261280。
在相关技术的反射编码器和反射传感器的半导体封装中已经发现有 下列问题。例如，在图25中，包^、在角度范围ei中的光线对应于经由 反射刻度板2从光发射元件1的光发射区引向光接收元件3的光接收区 的有效光线。
如果角度62相对于itiL射元件1的最大强度所在的主光线轴al明 显很大，则在其中心包括倾斜光线的角度范围ei中的光线仅仅占由光 发射元件1发出的所有光线的一小部分。因此，大部分光线是无效分 量，引发光利用效率极低的问题。
图28示出图25的局部放大图。当注意封装中的光发射元件l和光 接收元件3之间的光线时，存在由光线L表示的光路，其由光发射元件 1发射，并由透明玻璃基板6的表面部分6a反射。如果角度03大于临 界角(附)，则光线L被全反射，并^光接收元件3。该光线充当叠加 在传感器信号上的大偏离(bias)光分量。
在此情况下，传感器信号的实际S/N比由于小比例的有效>^射光线 和大比例的光的偏离分量而极大地降低。通过使用透镜可以增加有效反
射光线的比例。但是，透镜的使用造成由于透镜的光轴、光发射元件1
和光接收元件3之间的位置变化而引发的传感器性能的变化。
很容易想到增加光接收元件3的光接收区的面积来增加有效反射光 线的比例。但是，较大的光接收区接收大量来自透明玻璃基板6的表面 部分6a的全反射光，使得传感器信号的实际S/N比几乎没有获得任何 提高。此外，较大的光接收区增加了检测头7的尺寸，并由于必然增加 了成本而造成经济方面的缺点。
还可以想到增加由光发射元件1发射的光量的方法，来补充到达光 接收元件3的量少的光。然而，增加了能量消耗，并且将过量的电流施 加于M射元件1具有降低光发射元件1的寿命的问题。另一个可以想 到的方法是在信号处理电路中执行信号放大，但是这增加了电噪声分 量，影响位置检测的准确性并从而不能提供有效的方法。
上面提到的包括使用透镜、较大光接收区、由光发射元件l发射更 大量的光、以及在光接收元件3的信号处理电路中增强信号放大因数的 方法不能实现性能方面的显著提高，或增加性能的变化。
图26和27所示的光防护器件的使用可以防止上&目关技术中的问 题之一的光的偏离分量，并实现一定程度的改善。如图29的图形所 示，当使用光防护部件时，提供模拟输出的反射传感器的输出电压V随 着反射传感器和充当被测量的对象的反射样品之间的距离G而变化。
具体地，如图27所示，各个反射传感器在到反射样品距离d处提 供不同的输出电压V，这取决于光发射元件13和光接收元件14的安装 位置的不同、位于上述二者之间的光防护墙18的位置或光接收敏感度 的变化。也就是说，取决于各个差别，输出电压表现为图29所示图形 的垂直轴上的不同值vl、 v2和v3。
如果在等于或小于距离Gl的距离处使用反射传感器，则对于反射 传感器和反射样品之间的距离的敏感度为高。因此，实际上应当避免在 这样近的距离处使用反射传感器，因此需要额外的空间区域。
由于充当光防护部件的光防护体位于光发射元件13和光接收元件 14的中间点处，因此在M射元件13和光接收元件14之间必须设置大
的间隔。这增加了安装元件的区域，阻碍了反射传感器尺寸的减小。此 外，使用光防护部件必然增加成本。

发明内容
本发明提供一种反射传感器，其防止由光源发射的发散光被封装及 其外侧之间的界面全反射并进入光接收元件，而无需使用光防护器件，
这使得S/N比提高并降低性能变化。
根据一个方面，本发明提供一种反射传感器，包括置于表面上的光 发射元件和光接收元件、以及覆盖所述光发射元件和光接收元件的透光 部件。所述光接收元件包括沿所i^面与光发射元件隔开的光接收区， 所述光接收区距离所述光发射元件比所述表面上由透光部件及其外侧之 间的界面全反射并被引向光接收元件的未受阻光线照射的区域更近。
根据另一方面，本发明提供一种反射传感器，包括置于表面上的光 发射元件和光接收元件、以及覆盖所述光发射元件和光接收元件的透光 部件。所述光接收元件包括置于从光发射元件的光发射区的中心起半径 为R的圆周中的表面上的光接收区，所述半径R由下式确定
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其中M代表具有透光部件及其外侧之间的界面的透光部件的折射率， No代表透光部件之外的介质的折射率，Dl代表从M射元件的光发射 区到所述界面的距离，D2代表从光接收元件的光接收区到所述界面的 距离。
根据本发明的再一方面，本发明提供一种包括上述反射传感器的装 置。所述装置基于由所述反射传感器提供的信息运行。
参考附图，根据下面对优选实施例的描述，本发明的其它目的和特 征将显而易见。


图l是示出本发明的实施例1的反射编码器的配置的示意图。
图2示出实施例1中在粘合反射刻度板之前的反射编码器的截面
图。
图3是示出实施例1中的已粘合的反射刻度板的截面图。 图4是实施例1中的检测头的主要组件的平面图。 图5A和5B是用于解释实施例1中的电流限制类型的光发射元件 的示意图。
图6示出实施例1中的反射编码器的信号处理电路。 图7是用于解释实施例1中的光线光路的示意图。 图8A和8B分别示出实施例1中在PL界面的亮度分布图和距离光 源一定多巨离的亮度图。
图9是实施例1中的一部分模拟模型。
图IO示出图9所示的模拟模型的亮度分布图。
图11A-11D是用于解释实施例1的反射编码器中具有不同间隔的各 个光路的示意图。
图12是实施例1中当使用距离iUL射元件的间隔作为M时的亮 度图。
图13是示出实施例1内部反射光和有效光之间的关系的图。 图14A和14B是用于比较实施例1的反射编码器的间隔特性和相 关技术中反射编码器的间隔特性的图。
图15示出本发明的实施例2的反射编码器的模拟模型的截面图。 图16示出实施例2的亮度分布图。
图17示出本发明的实施例3的反射编码器的模拟模型的截面图。 图18是用于解释实施例3中光路的示意图。 图19示出实施例3的亮度分布图。
图20示出本发明的实施例4的反射编码器的模拟模型的截面图。 图21示出实施例4的亮度分布图。
图22示出本发明的实施例5的反射编码器的亮度分布图。 图23是示出相关技术中的反射编码器的透视图。 图24示出图23中的^^射编码器的XZ截面。 图25示出图23中的>^射编码器的YZ截面。
图26是示出相关技术中另一反射编码器的透视图。 图27是图26的反射编码器的截面图。 图28是示出图25的局部放大截面图。
图29示出针对相关技术中另一反射编码器的间隔的输出电压的图。
图30是示出作为本发明的实施例6，其上安装有实施例1-5的反射 编码器的视频照相机的配置的方框图。
图31是示出作为本发明的实施例7，其上安装有实施例1-5的反射 编码器的喷墨打印机的透视图。
图32是示出所述喷墨打印机的印刷头的馈送控制部分的透视图。
图33是示出作为本发明的实施例8，所述喷墨打印机的纸张馈送控 制部分的透视图。
具体实施例方式
下面将参考附图阐述本发明的优选实施例。 (实施例1)
图1是示出本发明的实施例1的Jl射编码器的配置的示意图。将其 上以规则的间距形成有条紋的反射刻度板21固定于移动的被测对象 (此后，该被测对象被简单地称为对象)，并在对应于设置条紋的方向 的X轴方向上移动。将作为反射传感器的检测头22与所述反射刻度板 21相对放置。
所述检测头22由通过LED芯片实现的iUC射元件23、具有光电二 极管阵列作为光接收部分的光接收元件24、通过包括信号处理电路部分 25的光-IC芯片26实现的半导体器件、和其上安装有上述组件的a 27所组成。
如图2所示，反射刻度板21由图案形成片31和反射层形成片32 组成。所述图案形成片31由用于工业光刻膜的透明PET膜所形成，例 如其厚度大约为0.1到0.2mm，通过膝光和显影步骤用工业光刻膜的乳 剂层在其上形成必要的图案。在图案形成片31的基材部分31a上设置
包括交替形成的充当光吸收部分的非>^射部分31b和透光部分31c的图 案。
在反射层形成片32中，在由作为基材的PET膜构成的反射层32a 的下表面上形成由蒸镀薄膜构成的反射层32b。如图3所示，通过由透 明粘合剂构成的粘合层33将图案形成片31与反射层形成片32粘合形 成所述反射刻度板21。
图4是示出作为检测头22的主要组件的光发射元件23和光接收元 件24的平面图。所述M射元件23由具有电流限制结构的点光源红色 LED形成，并包括具有直径大约为80nm的圆形光发射窗的有效光发射 区Sl。 LED的发射波长为650 nm。
作为防止光发射元件23发射的光直接ii^光接收元件24的光接收 区的对策，通过使用电流限制类型的LED芯片而非通过外延生长而形 成的典型LED芯片实现M射元件23。图5A中所示的典型LED芯片 T与图5B中所示的电流限制类型的光发射元件23在发射光的强度分布 上明显不同。典型LED芯片T在水平方向发射大量光，因此一些光有 可能直接i^v光接收区。相反地，电流限制类型的光发射元件23只向 前发射光线，因此光不大可能直接iiX光接收区。
如图4所示，光-IC芯片26置于^iL射元件23附近。光-IC芯片 26包括对应于靠近光发射元件23和信号处理电路部25的光接收元件 24的光接收部分的光接收区S2。在光接收区S2中，在水平方向以规则 的间距设置16个光电二极管24a、 24b、 24c、 24d…24m、 24n、 24o和 24p以充当光接收元件24。图中未示出光电二极管24e到241。
光电二极管24a、 24e、 24i和24m彼此电连接以形成相位a的集 合。光电二极管24b、 24f、 24j和24n彼此电连接以形成相位b的集 合。光电二极管24c、 24g、 24k和24o以及24d、 24h、 241和24p彼此 电连接以分别形成相位c的集合和相位d的集合。
相位a、 b、 c和d的每一组光电二极管接收光并根据光量输出光电 流。当反射刻度板21移动时，相位a到d的各组光电二极管输出电 流，佳^得相对于相位a，相位b处于90度，相位c处于180度，以;M目 位d处于270度。
光-IC芯片26上的信号处理电路部25利用电^/电压转换器将输出 电流转换为电压，利用差动放大器确定相位a和c之间的差动分量以及 相位b和d之间的差动分量，并以卯度的相差输出相位A和B的位移 输出信号。
图6示出信号处理电路25并示出光发射元件23的光发射电路41 和模拟信号处理部分42。位置计算部分43用于基于来自模拟信号处理 部分42的相位A和B的模拟信号通过计算>^射刻度板21的移动量来 确定对象的位置。
初亂故大器44、 45、 46和47充当I/V放大器，用于将在相位a、 b、 c和d的各组光电二极管中产生的光电流转换为电压，并相对于电 势Vfl分别产生电势Vl、 V2、 V3和V4。
差动输出放大器48确定来自相位a和c的各组光电二极管的输出 VI和V3之间的差动分量，以利用电势Vf2作为偏压提供相位A的信 号。类似地，差动输出放大器49执行来自相位b和d的各组光电二极 管的输出V2和V4的差动放大，以提供相位B的信号。
通过分别在交流分量Va和Vb上叠加直流分量Vf2，从模拟信号处 理部分42提供输出信号VA和VB，并将其输出至位置计算部分43。所 述位置计算部分43统计相位A ( VA=Va+Vf2 )或相位B (VB=Vb+Vf2)的输出信号的波峰数，并确定已经过的通过从反射刻 度板21反射和折射的光在光接收区S2上形成的干扰带的数量。干扰带 的节距(pitch)与所统计的数量相乘以计算反射刻度板21的移动量。
可以根据相位A和B的输出信号的交流分量计算相位A和B之间 的相位角，以确定等于或小于干扰带的节距的移动量。
图7是用于解释沿图1中的S平面得到的反射编码器的光线光路的 示意图。检测头22不仅包括iUL射元件23和光接收元件24，还包括覆 盖基板27、 M射元件23和光接收元件24的透光密封树脂51、以及 置于所述密封树脂51上的透光玻璃(此后称为透明玻璃)52。由于密 封树脂51和透光玻璃52具有基本上相同的折射率，因此从光学角度来
看实际可以将其视为整体部件，并忽略它们之间的边界。密封树脂51
和透光玻璃52构成覆盖光发射元件23和光接收元件24的透光部件。 由所述透光部件覆盖的检测头22构成反射编码器的封装。 来自M射元件23的发散光被提供给平坦反射刻度板21。来自反
射刻度板21的反射和折射光在光-IC芯片26的光接收区S2上形成干扰带。
如图7所示，检测头22和反射刻度板21之间设置有间隔G。当由 Ps表示反射刻度板21的节距时，在光接收区S2上形成具有二倍于节 距Ps的周期(Pf=2xps)的干扰带。通过上述信号处理电路部分25将 与反射刻度板21的移动相关的干扰带移动转换为相位A和B的模拟信 号作为位移信号。
图7示出由光发射元件23发出的光线中，与实施例1相关的典型 光线L0、 La和Lb。光线L0显示一组由透光部件(透明玻璃52 )及其 外侧之间的界面53折射和穿过所述界面、由反射刻度板21反射、并被 导向光接收区S2的光线。光线L0对应于提供传感器信号的有效光。
光线La由光发射元件23发射、由界面53全反射、并透过所述封 装传播。与上述充当传感器信号的有效光的光线L0相反，光线La是 噪声光，不属于传感器信号光并且不应当被接收。如果光线La进入光 接收区S2，则传感器信号的S/N比会降低。
光线Lb穿过界面53并向外传播，而不到达反射刻度板21,因此 光线Lb几乎不影响测量准确性等。
在实施例1中，为了防止不必要的光线La到达光接收元件24，根 据用作参考位置的光发射元件23的光发射区Sl确定光接收元件24的 光接收区S2的位置。
具体地，将光接收元件24的光接收区S2设置为比M射元件23 发射的所有光线中由界面53全反射并接着被导向光接M件24的光线 光路更靠近iUC射元件23。
图8A和8B示出在包括光接收区S2的图7中在PL截面从界面53 反射的光的亮度分布图的模拟结果。在该模拟中，去掉反射刻度板21
以防止将由反射刻度板21反射的有效光分量叠加在观察平面(PL截 面)上。
在图8A中，光发射区Sl位于亮度分布的中央的白色方块位置处。 光接收区S2由其左侧的虚线示出。在亮度分布图中，白色部分的亮的 环形部分表示由于从界面53反射的光线的高亮度区域，而黑色部分的 暗的部分表示低亮度区域。高亮度区域分布在以光发射元件23的光发 射区S1为中心的环形中。
图8B示出在包括光发射元件23和光接收元件24的中心的XZ截 面中的亮度分布。在该亮度分布中，在从作为参考的光发射区Sl的中 心起半径为Ri的圆周中存在低亮度区域。将光接收区S2置于低亮度区 域中可以提供不受不必要的光线影响的传感器信号，而无需使用任何光 防护器件。以此方式，将光接收区S2置于上述低亮度区域中可以提供 具有高S/N比的来自对象的有M射光线，而无需使用相关技术中所用 的光防护器件。
在图8B，不仅可以将光接收区S2置于从界面53以高强度全反射 的光形成的环形区域的内侧上(<Ri),还可以置于高亮度区域的外侧 (>Ri)，以避免高亮度区域的布置。
光接收区S2的布置条件可以用基于封装的主要尺寸的表达式所表 示。图7中密封树脂51的折射率表示为Ni，封装的外部区域，即透光 部件的外部中的介质的折射率表示为No，光发射区Sl和界面53之间 的距离表示为Dl，光接收区S2和界面53之间的距离表示为D2，全反 射区域的半径为Rmax。在提供给光接收元件24的光线以大于临界角 的入射角射向界面53并从而全反射之后，以M射区S1的中心作为参 考位置(中心)，半径Rmax由所述光线的位置确定为
及max = d/tan(siiT'(M)/M)l+D2/tan(sin一'(iVo/M')1 ( 1 )
由于在光接收元件24全反射的光线的亮度在半径Rmax处表现出 最大值，因此这样确定光接收区S2的布置条件，以便它应该置于亮度 波峰位置的内侧。当利用全反射射光强度的大约15%作为阈值确定可布置 区域时，光接收区S2可布置的圆形区域的半径Ri由下列表达式(2)
表示
Ri-Rmaxx0.85 (2 )
另一方面，对于有效光线L0，由于有效光线LO相对于提供最大强
度的主光线以图7中的角度eo倾斜，因此，有效反射的光线强度相应
地减少了。为了增加来自反射刻度板21的有效光的强度，有利地使用 靠近光发射元件23的主光线轴的光线。为此，将光接收区S2更靠近光
发射区si可以降低角度eo，这使得传感器信号的S/N比提高。
以此方式，实施例1中采用的方案适当地确定下列条件，以d更就上 述原因尽可能地将光发射区Sl和光接收区S2靠近，并使得光接收区 S2位于半径Ri的范围内，而不是置于环形高亮度区域中
相对于光发射元件23和光接收元件24的界面53的高度Dl和
D2;
光接收元件24的安装位置； 光接收元件24上光接收区S2的布置； 光接收区S2的形状和面积；和 界面53的材料的折射率。
实施例1中数值的具体实例包括D1-D2-0.70 mm， Ni-1.54 (环 氧树脂)，和No-l.OO (空气)。根据这些值，Ri基本上等于1.05 mm。 光接收区S2的形状为0.5 mm乘1.0 mm的矩形。光发射元件23和光 接收元件24之间的芯片间距为0.2 mm。
图9是示出上g拟模型的截面图。图10示出在来自反射刻度板 21的有效>^射光叠加于来自界面53的^^射光的观察平面PL中的亮度 分布图。可以看出，反射刻度板21的刻度图案被投射至环形高亮度区 域内部，以拔^供具有高S/N比的传感器信号。
图11A-11D示出当实施例1中的反射刻度板21与检测头22之间的 间隔G被设为1.5 mm (图11A )、 1.0 mm (图11B )、 0.5 mm (图 11C)和0.2 mm (图11D )时的光路。在任何一个图11A-11D中，从界 面53全反射的光线不ii^光接收区S2，使得可以提供具有良好的S/N 比的传感器信号。
图12示出在连接光发射区Sl和光接收元件24的线上的亮度分 布。横轴表示在光接收元件24方向上到作为原点的M射元件23的位 置的距离。为线上的亮度分布标出了 (1)来自反射刻度板的有效光以 及(2)来自界面53的反射光和全反射光。曲线示出当使用反射刻度板 21和检测头22之间的间隔G为参数时的结果。
根据距离的平方反比定律，间隔G的值越大，有M射光的亮度越 低。另一方面，来自界面53的反射光和全反射光自然地与反射刻度板 21的间隔M无关，并且不随着间隔G的改变而变化。
图13示出将间隔G的变化作为^时由光与噪声光的有效比表示 的传感器信号的光S/N比。
作为值得注意的特性，在传统的包括光防护部件的反射传感器中， 有效光线由间隔0.2 mm (G-0.2 mm)的光防护部件阻挡，4吏得具有这 样间隔的传感器实际上不可用。相反，从图13可见实施例1的反射传 感器在这样近的间隔范围内可以提供具有相当高的光S/N比的传感器信 号。间隔为2.0 mm (G=2.0 mm)时，S/N比等于或大于3。因此，可 以看出在宽的间隔变化范围中可以提供有效信号。
图14A和14B示出传统的包括光防护部件的反射传感器和实施例1 的反射传感器之间的间隔特性的区别的图。如示出相关技术的图14A中 的图所示，在相关技术中，当在近的间隔范围中使用反射传感器时，反 射传感器和反射样品之间的距离敏感度增加。因此，实际上应当避免在 这样近的距离范围内使用反射传感器，所以需要额外的空间区域。
在图14B所示的实施例1的jl射传感器中，由于M射元件和光接 收元件之间的间距降低并且使用靠近光发射元件23的光轴的光线，因 此与相关技^M目比，光的使用效率提高了。实施例1不涉及由相关技术 中包括的光防护部件造成的光阻挡，使得在近间隔范围中有效信号区域 变大并且安装公差得以放宽。此外，可以以近的间隔使用反射传感器， 这有益于降低其尺寸和节省空间。
在实施例1中，^JN"编码器可以以高S/N比提供传感器信号，而无 需使用光防护部件，并且可以显著改善近间隔区域内反射刻度板21和
检测头22的性能。此外光发射元件23和光接收元件24相互间比相关 技术更为靠近，以提高光的使用效率，从而使得光发射元件23的能量 消耗降低。而且，实施例1同时实现了小型化、品质稳定和低价格。 (实施例2 )
图15是示出本发明的实施例2的反射传感器的模拟模型的截面 图。在此实施例中，与实施例1中相同的部件用相同的标记表示。这也 适用于下面的实施例3-5。
和实施例1相比，在该反射传感器中，界面53的高度增加了并且 由全反射光产生的环形高亮度区域的半径Rmax有所增加。具体地，设 Dl和D2为O.卯mm, Ni为1.54 (环氧树脂)，和No为1.00 (空 气)。根据这些值，Ri基本上等于1.45mm。
结果，如图16的亮度分布图中所示，和实施例1相比，可以设置 光接收部分的允许圆周的尺寸增加了，并且光接收元件24的光接收区 S2的面积可以增加。例如，在此情况下，光接收区S2的面积可以扩大 至0,7 mm 乘1.4 mm的矩形。 (实施例3 )
图17是示出本发明的实施例3的反射传感器的模拟模型的截面 图。在此实施例中，对于界面53的高度，M射元件侧的高度D1和光 接jjtit件侧的高度D2具有不同值。具体地，设Dl为0.3 mm， D2为 0.7 mm， Ni为1.54 (环氧树脂)，和No为1.00 (空气)。根据这些值， Ri基本上等于0.85 mm。
在实施例3中，光发射元件23上由高为0.3 mm的透光密封树脂 51和透明玻璃52覆盖。在透明玻璃52的上部形成内径为0.6 mm深为 0.4 mm的柱形凹面部分。
图18示出实施例3的封装中有效反射光和全反射光的光路示意 图。光接收区S2设置于全反射光不iiA的位置。
如图19的亮度分布图中所示，可以设置光接收部分S2的允许圆周 的尺寸降低了，使得难以如实施例1和2将光接收区S2 i殳置于允许圆 周内。但是，在此情况下，可以将光接收区S2设置于圆周外部以提供
类似于实施例1和2的效果。
由于安装面积增加，实施例3不利于降低反射编码器的尺寸，但是 可以以较高的灵活性将光接收区S2设置于光接收元件24之上，并且不 用严格限制光接收区S2的尺寸。考虑到这些点，可以以将光接收区S2 设置于允许圆周内的实施例1和2所不可能的方式设置光接收区S2。
(实施例4)
图20是示出本发明的实施例4的反射传感器的模拟模型的截面 图。与实施例3 —样，在此实施例中，对于界面53的高度，光发射元 件侧的高度Dl和光接收元件侧的高度D2具有不同值。具体地，设Dl 为0.3 mm， D2为0.7 mm， Ni为1.54 (环氧树脂)，和No为1.00 (空 气)。根据这些值，Ri基本上等于0.85mm。
如图21的亮度分布图中所示，在此情况下提供有复杂的亮度分 布。可以将光接收区S2设置于虚线所示的位置，以获得类似于实施例 1的效果。
(实施例5 )
图22是示出本发明的实施例5的反射传感器的模拟模型的截面 图。和实施例1相比，在此实施例中，光接收区S2的形状有所变化。 至于界面53的高度，光发射元件侧的高度Dl和光接收元件侧的高度 D2具有相同值。具体地，设D1为0.7 mm, D2为0.7 mm， Ni为1.54 (环氧树脂)，和No为1.00 (空气)。根据这些值，Ri基本上等于1.05 mm。
当将光接收区S2设置于半径Ri内使得光尽可能被有效利用的时 候，沿允许圆周以扇形(或类似扇形)或弧形形成光接收区S2。这基 本上使得来自反射刻度板21的较大量的有效反射光由光接收区S2接 收。因此，可以提高传感器的S/N比。
实施例5中可以实现各种形状的界面53。不考虑界面53的形状， 可以改变光发射元件23和光接收元件24的相对位置和界面53的高 度，以防止在界面53 ^^射的全反射光^光接收区S2。
根据上述实施例1-5的反射传感器，可以获得下列效果。
(1)由于在光发射元件和光接收元件之间不需要光防护部件，因 此，可以将光发射元件和光接收元件彼此靠近安装，以减少安装面积， 和反射传感器的尺寸，并消除由于光防护部件造成的性能变化。
(2 )因为减少了用于提供光防护功能的必要步骤和降低了封装尺 寸，因此生产效率得到极大提高，可以降低制造成本，并显著提高品质 和可靠性。
(3) 光发射元件和光接收元件的彼此靠近安装允许接收光发射元 件发射的光线中靠近光轴的光线。因此，提高了传感器信号的S/N比。 此外，光的使用效率得以提高，并降低了光发射元件的驱动电流，以便 有利地实现低能耗。
(4) 与使用光防护部件的相关技术相比，间隔特性得以极大改 善，并且即使在反射传感器靠近被测对象时也可以提供有效传感器信 号。
已经主要结合反射编码器描述了实施例1-5，在本发明的替代实施 例中可以使用例如反射光中断器的其它反射传感器。 (实施例6)
图30示出作为其上安装有实施例1-5的反射传感器的装置的视频照 相机的透镜系统的配置。图30示出这样的配置，其中通过使用音圏致 动器驱动用于提供可变倍率的变倍透镜801b和聚焦透镜801d。安装用 于缩放的编码器816a和820与用于自动聚焦的编码器816b和821,以 分别检测变倍透镜801b和聚焦透镜801d的绝对位置。
附图标记816a和816b表示线性编码器刻度板，820和821表示实 施例1-5中所述的检测头(反射编码器)。
检测头820和821的输出分别由读取电路823和822读取，并提供 给CPU 824。关于聚焦状态的信息也经由读取电路826提供给CPU 824，具有来自CCD 825的视频信号。
CPU 824基于上述信息和之前存储在ROM 827中的信息确定将经 过每个音團的电流值或其波形，并经由驱动器829和828使电流分别通 过线围816a和816b。由此系统，变倍透镜801b和聚焦透镜801d的位
置得以控制，以便保持对焦状态。
为了实现如上述实例所述的使用音围致动器的视频透镜系统，需要
具有极小尺寸和高精确度的用于检测透镜位置的编码器。实施例1-5中 所述的反射传感器是十分合适的。
随着这样的视频透镜系统的尺寸减小，光学系统(透镜)将需要更 高的定位灵敏度。这就要求编码器具有极小尺寸、高分辨率和高精确 度。还要求低能耗。在这样的装置中使用实施例1-5中所述的反射传感 器在降低能耗方面是有效的。
传统编码器包括一种其中电刷接着电极、所述电极上形成线性巻 (volume)或格雷码图案， 一种其中用光学元件与透镜保持部件和例如 PSD的光电转换元件一起移动实现位置检测。
通过使用实施例1-5中所述的>^射传感器可以实现所述编码器，以 实现非接触方式的位置检测并显著降低安装空间。因此，可以很灵活地 i殳计该透镜系统。 (实施例7)
图31示出其上安装有实施例1-5的反射传感器的喷墨打印机的配 置。实施例7中，反射传感器(编码器)用于在喷墨打印机中控制打印 头的驱动。
在图31中，附图标记701表示外壳，505表示容纳打印头、墨盒等 的滑架单元。附图标记705表示导杆，703表示用于馈送纸张的驱动电 机，702表示驱动轴上的齿轮，704表示内啮合齿轮。附图标记603表 示安装在主馈送辊轴上的齿轮。用于检测旋转角度的编码器安装于主馈 送辊轴上。
具有一端固定于外壳701的线性编码器刻度板502与导杆705平行 延伸，并且其另一端经由片簧(未示出)固定于外壳701。
实施例7中通过在由透明聚碳酸酯形成的透明膜中以预定间距形成 小槽来提供刻度板502。
图32示出在所述喷墨打印机的滑架上安装实施例1-5中所述的反射 传感器(编码器检测头)的配置。
在图32中，附图标记502表示安装在图31中的外壳701上的线性 编码器刻度板，501表示编码器检测头。它们与用于驱动喷墨头的驱动 电路等一起安装在附着于滑架504的基仗506上。
由于可以将有限的空间用于将编码器检测头安装在用于控制喷墨打 印机的滑架驱动的线性编码器中，因此，很容易将实施例1-5中所述的 超小型反射传感器安装为检测头。也就是，与传统透射编码器相比，可 以容易地将反射传感器并入打印机。例如从低能耗角度来看，反射编码 器被有效地安装在移动打印机上。
(实施例8)
喷墨打印机不仅需要用于控制滑架位置的线性编码器，还需要用于 检测馈送纸张的辊的旋转角度的旋转编码器。图33是该打印机的侧视 图。图33示出安装在主纸张馈送辊驱动齿轮605、检测头601和其上安 装有检测头601的J41603下面的旋转编码器刻度板602。
具有如实施例1-5所述的简化配置的检测头只包括微小的制造变化 并需要少量的部件。这允许高分辨率和高精确度的电分割。因此，如图 33所示，可以将用于角度检测的旋转编码器刻度板的尺寸减小到这样的 程度，即它比驱动齿轮605的直径还要小。通常，采用具有较大直径的 编码器刻度板来以高分辨率检测纸张馈送的位置。
例如从低能耗角度来看，作为实施例1-5所述的线性编码器，它被 有效地安装在移动打印机上。
虽然已经参考实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不局限于 所公开的实施例。权利要求的范围符合最宽的解释，以便涵盖所有变 化、等同结构和功能。
此外，本发明不局限于这些优选实施例和各种变化，可以进行修改 而不脱离本发明的范围。
本发明要求享有下列文件的国外优先权日本专利申请No. 2006-197041，申请日为2006年7月19日，在此通过引用将其全文并入。
权利要求
1、一种反射传感器，包括置于表面上的光发射元件和光接收元件；和覆盖所述光发射元件和光接收元件的透光部件，其中所述光接收元件包括沿所述表面与光发射元件隔开的光接收区，所述光接收区距离所述光发射元件比所述表面上由透光部件及其外侧之间的界面全反射并被引向光接收元件的未受阻光线所照射的区域更近。
2、 根据权利要求1的反射传感器，其中所述光发射元件由具有电 流限制结构的LED形成。
3、 根据权利要求1的反射传感器，其中所述透光部件由透光树脂 和透光玻璃形成。
4、 根据权利要求1的反射传感器，其中所述光接收区为扇形或弧形。
5、 一种包括根据权利要求1的反射传感器的装置，其中所述装置 基于由所述反射传感器提供的信息操作。
6、 一种反射传感器，包括 置于表面上的光发射元件和光接收元件；和 覆盖所述M射元件和光接收元件的透光部件，其中所述光接收元件包括置于从光发射元件的光发射区的中心起半 径为R的圆周中的表面上的光接收区，所述半径R由下式确定i = Dl / tan {sin—1 (7Vo / + / tan {sin_1 (7Vo / 其中Ni代表具有透光部件及其外侧之间的界面的透光部件的折射率， No代表透光部件之外的介质的折射率，Dl代表从M射元件的光发射 区到所述界面的距离，D2代表从光接收元件的光接收区到所述界面的 距离。
7、 根据权利要求6的反射传感器，其中光接收元件由光-IC形成， 所述光-IC包括由多个光电二极管形成的光接收部分和由多个初M大 器和差动放大器形成的信号处理部分。
8、 一种包括根据权利要求6的反射传感器的装置，其中所述装置 基于由所述反射传感器提供的信息操作。
全文摘要
本发明公开了一种反射传感器，其防止来自光源的发散光被封装及其外侧之间的界面全反射并进入光接收元件，而无需使用光防护器件，这使得S/N比提高并降低性能变化。所述反射传感器包括置于表面上的光发射元件和光接收元件、以及覆盖所述光发射元件和光接收元件的透光部件。所述光接收元件包括沿所述表面与光发射元件隔开的光接收区，所述光接收区距离所述光发射元件比所述表面上由透光部件及其外侧之间的界面全反射并被引向光接收元件的未受阻光线照射的区域更近。
文档编号H01L31/12GK101110416SQ20071013701
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月19日 优先权日2006年7月19日
发明者井垣正彦, 热田晓生 申请人:佳能株式会社