专利名称：光编码器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光编码器装置，更具体地说，本发明涉及光编码器装置的详细结构。
通常，借助于光发射器和光检测器来光学地检测码盘或码带的运动。因此，编码器通常是一种光编码器。光发射器在光发射方向向码盘/码带发射光。码盘/码带包含规则图形的开口和条。按照开口和条相对于光发射方向的位置，码盘/码带交替地允许和阻止光通过。光检测器位于码盘/码带之后，当它在光发射方向看见从光发射器发射的光时，则基于光发射器发射并通过码盘/码带传输的光对光信号进行检测。检测的光信号为四元(quadruple)信号或正弦信号，所述光信号的频率含有码盘/码带的运动的明显的信息。
由于此种光编码器的光发射器和光检测器的特定排列，因此，用于容纳该光编码器的光编码器外壳通常为C形状。该光编码器与C形状的光编码器外壳一起形成一个C形状的光编码器装置。码盘/码带通过该C形状光编码器装置的自由(free)区域(凹进处)并且在其中移动，这样，该光编码器能检测在码盘/码带中形成的开口和条。图2A和图2C示出了此种C形状光编码器装置201与码盘202和码带203一起的剖面图，而图2B和图2D示出了此种C形状光编码器装置201与码盘202和码带203一起的顶视图。
码盘202和码带203具有规则图形(pattern)的开口204(以及开口204之间的条)，它们被这样安排，以致码盘202或码带203的运动可分别被明显地检测。因此，码盘202或码带203分别通过大体为C形状光编码器装置201的自由区域205，它们分别接纳码盘202或码带203。如果码盘202在箭头206指示的方向围绕中心轴C旋转，或者如果码带203在箭头207指示的方向线性运动，则开口204(和开口204之间的条)导致在光编码器的光检测器中产生交错的光信号，其结果是产生对码盘202或码带203的运动的明显的信息。
通常，该C形状光编码器装置201被安装在位于比如打印机或复制机等电器里面的印刷电路板(PCB)上，它用于将该光编码器与该电器的控制单元进行电连接(electrical coupling)。C形状的光编码器装置201本身包含作为主要零组件的光发射器208和光检测器209。光发射器208可以是发光二极管，而光检测器209通常是一组光电二极管。光发射器208和光检测器209被安排在C形状的光编码器装置201内部，以致于直线光路211使光由光发射器208发射而且由光检测器209检测。由光发射器208发射并且沿着光路211传播的光首先由位于光发射器208下游的光学透镜210装置校准为平行光，然后通过自由区域205，并且分别部分地通过码盘202或码带203，最后由放置在与光发射器208相对位置的光检测器209检测。由于光发射器208和光检测器209分别相对于码盘202或码带203而相对地布置，因此，要为码盘202或码带203分别提供特殊的光束通路解决方案(solution)。该光束通路解决方案分别具有良好的性能来分别检测码盘202或码带203的运动。
然而，在现有技术中可得到的光编码器装置是用大量零件在大规模的工序中制成的，其生产费用昂贵。
图3A示出了现有技术的第一类型光编码器装置的剖面图。第一光编码器装置301包含一个光发射器208和一个光检测器209，它们被安排在导引(lead)框架302上。导引框架302被封装在外壳材料304中，并且包含用于连接光发射器208和光检测器209的电气线路(未示出)。通常，光发射器208和光检测器209各自都被一个封装头303覆盖。在制造光编码器装置301过程中，光发射器208和光检测器209首先被放置在单个共用的平直导引框架302上，然后用封装头303覆盖。其后，将带有光发射器208、光检测器209和封装头303的平直公用导引框架302用透光的外壳材料304覆盖。更进一步地，在光发射器208的正上方设置光学透镜210，它的一部分在外壳材料304中。另外，在光检测器209的正上方设置窗口305，它的一部分在外壳材料304中。
提供光学透镜210和窗口305是为了在预定的地方通过外壳材料304的表面而获得满意的光传输。更进一步地，提供光学透镜210是为了使光发射器208所发射的光变成平行光束。在制造光学透镜210和窗口305之后，该半成品装置被分成光发射器元件306和光检测器元件307。然后，光发射器元件306被放置在光检测器元件307之上，正如图3A中箭头308指示的那样，以致于光发射器208与光学透镜210一起被放置在光检测器209和窗口305对面，以形成一个C形状的光编码器。最后，用一个安装架(未示出)将光发射器元件306固定到光检测器元件307上。因此，由光发射器208发射的光由光学透镜210校准，通过光发射器208和光检测器209之间的自由区域205传输，并且通过窗口305而由光检测器209检测。因此，第一类型的光编码器装置表现为折叠装置，其中包含光发射器元件306和光检测器元件307。
图3B示出了现有技术的第二类型的光编码器装置的剖面图。与上述的第一类型的光编码器装置不同，第二类型的光编码器装置310的制成方法不同，而且包含一个具有自由区域(凹进处)205的C形状的编码器外壳311。编码器外壳311包括透光材料和光学透镜210。光发射器元件312和光检测器元件313被分别制成，随后插入到在编码器外壳311中形成的各自的凹进处，以致于光发射器208被放置在光学透镜210的近处。光发射器元件312和光检测器元件313都包括一个外壳和一个导引框架314，其上分别地安装光发射器208和光检测器209。导引框架314包括用于分别电气地连接光发射器208和光检测器209的电气线路(未示出)。因此，第二类型的光编码器装置310表现为合成装置，其中具有各个制成元件。
然而，现有技术的第一类型的光编码器装置301和第二类型的光编码器装置310具有一些缺点。例如，它们需要大量的零件和大规模的处理方法，从而导致生产费用高。
按照本发明的主要方面的光编码器装置包括光发射器，用于发射光线，该光发射器具有一个光发射方向；光检测器，用于检测由光发射器发射的光，该光检测器具有一个不同于光发射方向的光检测方向。光学元件，用于控制光发射器与光检测器之间的光路，以致于由光发射器的光能够由光检测器检测；以及，光编码器装置中的自由区域，用于接纳可移动的光学编码元件，该光学编码元件包括多个交替透光和不透光的编码单元，以致于光学编码元件的这些交错透光和不透光的编码单元能影响所述光路。
在本发明的上下文中所述的光可以是任何波长的电磁辐射，具体地说，比如可为可见光、紫外线辐射和/或红外辐射。
与现有技术相比，本发明的一个优点是，本发明的光编码器装置允许用于光学编码单元的两种光束通路解决方案，比如码盘/码带以及包括光发射器和光检测器两者的单一非折叠共用基片。用于该光学编码单元的该光束通路解决方案具有高性能的优点，而单一非折叠共用基片具有的优点是本发明的光编码器装置能用简单的制造方法和更少的工序步骤来制造。相对于现有技术，本发明的另一优点是要相互对准和固定的零件数量减少了。本发明的进一步优点是由于简化了生产操作、减少了工序步骤和减少了零件数量，因此，生产成本减低了。
通过下面结合附图的详细描述和附加的权利要求书，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得更清楚，附图中相同的零件或单元用相同的标号表示。
最佳实施例的详细描述下面将参考附图对本发明的最佳实施例进行描述，其中，相同的零件或单元用相同的标号表示。
图1是表示本发明的第一最佳实施例的光编码器装置100的剖面图。
光编码器装置100大体上为C形状，并且包括带有电气线路102的基片101、光发射器103、光检测器104和光学元件109。光发射器103和光检测器104电气地连接到电气线路102上，它们被彼此相邻地安装在基片101的内平面S上，并且各自被一个封装头105覆盖。通常，按照本发明，基片101比如可以是导引框架、插入型导引框架、印刷电路板(PCB)、陶瓷基片或微互连装置(MID)。在本发明的实施例中，所描述的光编码器装置100采用插入型导引框架作为基片101。光发射器103的光发射方向如标号E所示。光检测器104的光检测方向如标号D所示，而且它不同于光发射器103的光发射方向E。按照本发明的第一最佳实施例，光发射器103和光检测器104被这样安排，以致光发射方向E和光检测方向D至少是大体逆向的。导引框架101包含气隙106，并且包括光学透镜107，该光学透镜107位于光发射器103之上大体在光发射方向E上。光学透镜107可以附加到导引框架101上。由光发射器103发射的光由光学透镜107校准成为平行光束，并且在光发射器103以及光检测器104上面的光发射方向E上进入光学元件109。由光发射器103发射的光进入光学元件109，沿着光学元件109内部的光路108射向光检测器104。
按照本发明，光学元件109被如此安排，以致于它允许在光学元件109内部进行内反射。因此，光学元件109包括透光材料以及彼此面对的平直第一表面110和平直第二表面111。第一表面110和第二表面111被安排在光学元件109中，面对着光发射器103和光检测器104，并且与光学元件109相邻的介质形成界面(interface)。
如果光从高密度介质遇到高密度介质与低密度介质之间的界面，则光通常从该界面的法面上被折射(斯涅尔定律)。如果在入射光方向与界面的法面之间的角度大于临界值，则该光在该界面处被完全地反射并且不会离开该高密度介质。这就是大家知道的全内反射。第一表面110和第二表面111各自与光发射方向E形成预定的角度，以致该预定的角度大于光学元件109和邻接介质之间界面的临界角。按照本发明，光学元件109包括环氧树脂，而邻接的介质是空气。因此，第一表面110和第二表面111的临界角为41°左右。因此，第一表面110和第二表面111控制了光发射器103和光检测器104之间的光路108。
为了确保在第一表面110和第二表面111处入射光的全反射，光学元件109可以在第一表面110和/或第二表面111上涂上一层反射材料。这样的涂层有利于使光学元件109少受以下因素的影响，即光编码器装置100的制造不精确、在光发射器103工作期间光发射方向E的波动。因此，防止在第一表面110和第二表面111处分别产生不希望的光量损失。
按照本发明的第一最佳实施例，第一表面110相对于光发射器103的光发射方向E具有至少大体为-45°的第一角度，而第二表面111相对于光发射器103的光发射方向E具有至少大体为+45°的第二角度。进入光发射器103上面的光学元件109并且沿着光路108传播的光遇到第一表面110，在第一表面110处被完全反射并且直接射向第二表面111。在行进到第二表面111之后，光在第二表面111处被完全反射，以致直射到光检测器104。因此，由于第一表面110和第二表面111，光路108大体上为U形。
按照本发明，光发射器103为发光二极管，而光检测器104包括一组光电二极管。光发射器103可以发射的光作为点光源、狭缝光源、平面光源或立体光源。光编码器装置100进一步包括用于接纳可移动的光学编码元件112的自由区域113，光学编码元件112包括多个交替地透光和不透光的编码单元。按照本发明，光学编码元件112为码盘/码带并且包括规则图形的开口和条(未示出)。光学编码元件112被如此安排，以致该规则图形能影响光路108。信号处理器(未示出)电气地连接到光检测器104上，以便基于检测的光的变化来处理由光检测器104产生的电信号，该变化是由自由区域113里面的光学编码元件112的运动引起的。按照本发明的第一最佳实施例，自由区域113被安排在光学元件109内部，处于第一表面110和第二表面111之间。
光学元件109被整体地形成，因此，光编码器装置100的制造与现有技术相比需要的零件少。
图4是表示本发明的第二最佳实施例的光编码器装置400的剖面图。从图1中已知的部分将不再描述。
在本发明第二最佳实施例的光编码器装置400与本发明第一最佳实施例的光编码器装置100之间唯一的差别是自由区域113被安排在光学元件109里面，处于第二表面111与光检测器104之间。自由区域113更靠近光检测器104，这样，有利于减少由光学编码元件112引起的光衍射，因为在光学编码元件112与光检测器104之间的剩余光路108被缩短，并且对光学编码元件112的运动的响应时间被减少。
图5是表示本发明的第三最佳实施例的光编码器装置500的剖面图。从图1或图4中已知的部分将不再描述。
与本发明的第一和第二最佳实施例的光编码器装置100和400不同，本发明的第三最佳实施例的光编码器装置500包括基片501，它被埋藏在光学元件109中，面对着不平直的第一表面502和平直的第二表面111。正如本发明的第一和第二最佳实施例那样，基片501比如可以是导引框架、插入型导引框架、印刷电路板(PCB)、陶瓷基片或微互连装置(MID)。下面将以插入型导引框架作为基片501来描述本实施例。插入型导引框架501形成光学元件109的光学底表面。预先附加到导引框架501上的有光发射器103和光检测器104。光编码器装置500不包括光学透镜，因为光学元件109的第一表面502具有三维的抛物面形状。因此，第一表面502作为全反射镜以及准直仪(collimator)，用于使从光发射器103来的光进入光发射方向E。因此，从第一表面502完全反射的光在它遇到第二表面111之前形成平行光束。正如上面已经提到的，第一表面502和/或第二表面111可以涂上一层反射材料，以使光学元件109少受如下因素的影响，即光编码器装置500的制造不精确或光发射方向E在光发射器103工作期间的波动，从而防止在第一表面502或第二表面111处分别产生不希望的光量损失。
按照本发明的第三最佳实施例，第二表面111相对于光发射器103的光发射方向E成至少大体+45°的角度。进入光发射器103上面的光学元件109并且沿着光路108传播的光遇到第一表面502，在第一表面502处被完全反射，并且直接射向第二表面111。在行进到第二表面111之后，光在第二表面111处被完全反射，以致直射到光检测器104。因此，由于第一表面502和第二表面111，光路108大体上为U形的。按照本发明的第三最佳实施例，与本发明的第一最佳实施例相似，自由区域113被安排在光学元件109内部，处于第一表面502和第二表面111之间。
使用三维抛物面形状的第一表面502替代校准光学透镜和第一平面，这样所具有的优点是光束沿着剩余的光路108传播的平行度增加，因此，提高了光编码器装置500的性能。
图6是表示本发明的第四最佳实施例的光编码器装置600的剖面图。从图1、图4或图5中已知的部分将不再描述。
在本发明第四最佳实施例的光编码器装置600与本发明第三最佳实施例的光编码器装置500之间唯一的差别是，自由区域113被安排在光学元件109里面，处于第二表面111与光检测器104之间。自由区域113更靠近光检测器104，这样有利于减少由光学编码元件112引起的光衍射，因为在光学编码元件112与光检测器104之间的剩余光路108被缩短，并且对光学编码元件112的运动的响应时间被减少。
在下列表1中，比较了本发明的第三和第四最佳实施例的光编码器装置500和600、本发明的第一和第二最佳实施例的光编码器装置100和400、以及现有技术的第一和第二光编码器装置301和310，用于制造光编码器装置所需的零件数量和种类。
表1
从表1可以清楚地了解本发明，特别是第三和第四最佳实施例都减少了用于光编码器装置的零件数。因此，本发明的光编码器装置显著地减少了生产工序，并降低了生产成本。
权利要求
1.一种光编码器装置，包括光发射器，用于发射光，该光发射器具有一个光发射方向；光检测器，用于检测由光发射器发射的光，该光检测器具有一个不同于光发射方向的光检测方向；光学元件，用于控制光发射器与光检测器之间的光路，以致于由光发射器发射的光能由光检测器检测；以及光编码器装置中的自由区域，用于接纳可移动的光学编码元件，该光学编码元件包括多个交替地透光和不透光的编码单元，其中，光学编码元件的所述交错的透光的和不透光的编码单元影响所述光路。
2.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，光发射器和光检测器是如此安排，以致于光发射方向和光检测方向至少是大体逆向的。
3.按照权利要求2所述的光编码器装置，其中，光学元件被如此安排，以致于光路至少是大体U形的。
4.按照权利要求3所述的光编码器装置，其中，光学元件在光学元件内部提供全内反射。
5.按照权利要求4所述的光编码器装置，其中，光学元件包括彼此相对的第一表面和第二表面，所述第一和第二表面反射由光发射器发射的光，并且控制光发射器和光检测器之间的光路。
6.按照权利要求5所述的光编码器装置，其中，第一和第二表面是平直的，第一表面相对于光发射方向具有至少大体为-45°的第一角度，而第二表面相对于光发射方向具有至少大体为+45°的第二角度。
7.按照权利要求6所述的光编码器装置，其中，进一步包括靠近光发射器的透镜，用于校准由所述光发射器发射的光，使它在沿着所述光路传播之前成为平行光束。
8.按照权利要求5所述的光编码器装置，其中，所述第一表面为抛物面，而所述第二表面为平面，并且第二表面相对于光发射方向成至少大体为+45°的角度，而所述第一表面校准由光发射器发射的光，使其成为平行光束。
9.按照权利要求5所述的光编码器装置，其中，接纳光学编码元件的自由区域被接纳在光学元件中。
10.按照权利要求5所述的光编码器装置，其中，接纳光学编码元件的自由区域被安排在第一和第二表面之间。
11.按照权利要求5所述的光编码器装置，其中，接纳光学编码元件的自由区域被安排在第二表面和光检测器之间。
12.按照权利要求5所述的光编码器装置，其中，第一和第二表面中的至少一个被涂上反射材料。
13.按照权利要求5所述的光编码器装置，其中，所述光学元件的所述第一和第二表面反射由光发射器发射的光。
14.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，光学编码元件为码盘或码带。
15.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，进一步包括一个信号处理器，它根据会影响自由区域中的光路的光学编码元件的运动，来处理由所述光检测器产生的信号。
16.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，光发射器和光检测器中的至少一个被封装头覆盖。
17.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，所述光发射器和所述光检测器被安排在一个基片上。
18.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，所述光发射器为发光二极管。
19.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，所述光检测器包括一组光电二极管。
20.按照权利要求1所述的光编码器装置，其中，所述光学元件为整体形成的。
全文摘要
一种光编码器装置(100)，包括光发射器(103)，用于发射光，该光发射器(103)具有一个光发射方向(E)；光检测器(104)，用于检测由光发射器(103)发射的光，该光检测器(104)具有不同于光发射方向(E)的光检测方向(D)；光学元件(109)，用于控制光发射器(103)与光检测器(104)之间的光路(108)，以致于由光发射器(103)发射的光能被光检测器(104)检测；以及，位于所述光编码器装置(100)中的自由区域(113)，用于接纳可移动的光学编码元件(112)，所述光学编码元件(112)包括多个交替地透光和不透光的编码单元，以致于所述光学编码元件(112)的多个交替地透光和不透光的编码单元能影响光路(108)。
文档编号G01D5/347GK1450396SQ0310985
公开日2003年10月22日 申请日期2003年4月11日 优先权日2002年4月11日
发明者张智强, 陈日隆 申请人:安捷伦科技有限公司