CN101055194B - 平顶的基于反射的光学编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于反射的光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，该设备包括：至少具有第一反射部分的编码介质，和编码器壳体，其具有嵌在其中的发光源和光检测传感器，编码器壳体置于编码介质附近，使得能够建立从发光源经由编码介质的第一反射部分到光检测传感器的功能性光学路径。编码器壳体包括位于发光源和编码介质之间的第一平面，第一平面相对于共同几何平面具有第一角度，使得从发光源向编码介质行进的光沿着第一倾斜路径、以所折射的光到达编码介质的期望位置的方式折射。

Description

平顶的基于反射的光学编码器
技术领域
本发明涉及用于感测位置和/或运动的光学编码器件。
背景技术
光学编码器用在各种情况下来判断物体相对于某一基准的位置和/或动。光学编码器通常用在机械系统中作为测量和跟踪运动部件之间运动廉价的和可靠的方式。例如，当在诸如纸张的图像介质上打印图像或者介质扫描图像时，诸如打印机、扫描仪、影印机、传真机、绘图仪和其成像系统的机器通常使用光学编码器来跟踪图像介质的运动。
一般而言，光学编码器包括与“码轮”或者“码带”协同工作的某式的光学发射器/检测器对。码轮一般是圆形并且能够用来检测旋转运动例如打印机或者复印机中送纸鼓的运动。相反，码带一般呈线性形式，且能够用来检测线性运动，例如打印机的打印头位置和速度。取决于光编码器的形式，这样的码轮和码带一般含有狭槽和条带的规则图案。
尽管光学编码器已经证明是可靠的技术，但是还存在很大的简化制操作、减少制造工序数目、减少部件数目和减小操作空间的产业压力。而，需要与光学编码器有关的新技术。
发明内容
在第一方面，本发明提供了一种基于反射的光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，该设备包括：至少具有第一反射部分的编码介质，和编码器壳体，所述编码器壳体具有嵌在其中的发光源和光检测传感器，编码器壳体置于编码介质附近，使得能够建立从发光源经由编码介质的第一反射部分到光检测传感器的功能性光学路径。编码器壳体包括位于发光源和编码介质之间的第一平面，第一平面相对于共同几何平面具有第一角度，使得从发光源向编码介质行进的光沿着第一倾斜路径以所折射的光到达编码介质的期望位置的方式折射。
在第二方面，本发明提供了一种基于反射的光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，该设备包括：至少具有第一反射部分的编码介质，和编码器壳体，所述编码器壳体具有嵌在其中的发光源和光检测传感器，编码器壳体置于编码介质附近，使得能够建立从发光源经由编码介质的第一反射部分到光检测传感器的功能性光学路径。编码器壳体包括位于光检测传感器和编码介质之间的第一平面，第一平面具有角度，使得从编码介质的期望位置行进的光沿着倾斜路径朝着光检测传感器折射。
在第三方面，本发明提供了一种基于反射的光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，该设备包括：至少具有第一反射部分的编码介质、编码器壳体和第一折射装置，所述编码器壳体具有嵌在其中的发光源和光检测传感器，编码器壳体置于编码介质附近，使得能够建立从发光源经由编码介质的第一反射部分到光检测传感器的功能性光学路径，所述第一折射装置位于编码器本体和编码介质之间，并且有利地以建立功能性光学路径的方式将光沿着倾斜路径折射。
附图说明
当结合附图阅读以下详细的描述时，从其中能够最佳理解本示例性实施例。强调的是各种特征不一定是按比例绘制的。事实上，出于论述清楚的目的，尺寸可能有任意增大或者减小。类似的参考标号在任何可行之处都表示类似的元件。
图1示出基于透射的光学编码器；
图2示出基于反射的光学编码器；
图3示出新的平顶基于反射的光学编码器；
图4示出图3的新的基于反射的光学编码器的第一改变形式；
图5示出图3的新的基于反射的光学编码器的第二改变形式；和
图6示出图5的新的基于反射的光学编码器的改变形式。
具体实施方式
在下面详细的说明中，出于说明和非限制性的目的，为了提供对根据本发明的实施例的完整理解，阐述了公开具体细节的示例性实施例。然而，受益于本公开的本领域的技术人员可以理解，根据本发明但脱离了此处公开的具体细节的其它实施例仍然在所附权利要求的范围内。而且，可能省略了对公知的设备和方法的描述，以免使示例性实施例的描述不清楚。这样的方法和设备显然在本技术教导的范围内。
光学编码器一般分成两类：基于透射的光学编码器和基于反射的光学编码器。
图1示出了基于透射的光学编码器100。如在图1中所示，编码器100包括嵌在壳体104中的光学发射器101和光学检测器102。光学透镜106可以结合到光学发射器101下方的壳体104中以将由光学发射器101发射的光校准成平行光105。开放区域107设置在光学编码器101和光学检测器102之间，并且码轮/码带103在开放区域107内自由旋转或者移动。
在操作中，由光学发射器101发射的光能够由光学透镜106准直，然后经过开放区域107和码轮/码带103传播。如果码轮/码带103的状态使得沿着光传播的路径存在着狭槽/开口，则这样的光能够继续前进到达能够检测到该光的光学检测器102。如果码轮/码带103的状态使得沿着光传播的路径不存在狭槽/开口，则光的传播被阻挡，并且光学检测器102能够检测到不存在光。
与图1的基于透射的器件不同，在图2中示出了基于反射的光学编码器200。基于反射的编码器200包括安装在引线框架207上并且封装在光学壳体204中的光学发射器201和光学检测器202，其中光学壳体204通常由某种形式的树脂或者玻璃制成。示例性光学元件204具有两个穹顶形表面，其中第一穹顶形表面205直接在光学发射器201的上方，第二穹顶形表面206直接在光学检测器202的上方。
在操作中，由光学发射器201发射的光能够由第一穹顶形表面205(能够用作透镜)聚焦或者准直，然后透射到码轮/码带203。如果码轮/码带203的状态使得沿着光传播的路径存在着反射狭槽/条带，则传播的光将反射到第二穹顶形表面206(也能够用作透镜)并且聚焦到能够检测到该光的光学检测器202。如果码轮/码带203的状态使得沿着光传播的路径不存在反射狭槽/条带，则传播的光将被有效地阻挡，并且光学检测器202能够检测到不存在光。
图3示出了新的平顶基于反射的光学编码器300。如图3所示，光学编码器300包括均安装在衬底307上并且封装在光学壳体304中的光学发射器301和光学检测器302。壳体304具有位于发射器301和检测器302两者上方的一个平面305，且平面305相对于衬底307平行。码轮/码带303定位在平面305的上方适合距离处。
在操作中，在由光学发射器301发射的光沿着图3所示的各种光学路径308能够进一步透射到码轮/码带303的情况下，当该光通过平面305时，该光能够被折射。如果码轮/码带303的状态使得沿着光学路径308存在着反射带/狭槽/条带，则透射光能够在位置313处被拦截，并且向编码器壳体304反射回去，当该光通过平面305的边界时发生第二次折射，然后向能够感测/检测到该光的光学检测器302引导。如果码轮/码带303的状态使得沿着光学路径308和位置313不存在反射带/狭槽/条带，则传播的光能够有效地被阻挡，并且光学检测器302能够检测到不存在光。进一步，如果码轮/码带303构造成沿着光学路径308和位置313同时存在反射和非反射条带的组合，则码轮/码带303能够反射与反射和非反射条带的图案相匹配的光，使得图案有效地投射到光学检测器301上。
如以上提及，当光通过光学壳体304和空气之间时，光将在空气/壳体的边界(即平面305)处折射。该折射可以是壳体304的材料折射率IF1、空气折射率IFA和光与平面305相交的角度的函数。因而，应该理解到，壳体304的材料以及发射器301和检测器302的相对位置(以及各种其它具体距离和几何尺寸)的设计选择能够影响光学编码器300的所期望的整体性能。因而，应该理解到能够依实施例不同而改变材料和几何尺寸/间距的各种设计选择，而这是需要的或者有用的。
平顶光学检测器的手段的优点是：其不再需要外部穹顶，而外部穹顶限制了封装的高度并且会使编码器不必要地敏感于机械对准。通过采用平顶编码器封装，能够降低封装高度、减轻对准问题并且能够简化制造。尽管平顶光学器件一般不能实现穹顶透镜的理论分辨率，但使用平顶本体的光学编码器能够用于每英寸75线以上的码带/码轮，这满足了工业的大部分需要。
图4示出了图3的新的基于反射的光学编码器的第一改变形式。如在图4中所图示，改变形式的光学编码器400的结构类似于图3的编码器300的结构，但是具有不同的本体结构。即，编码器壳体404含有沟410，该沟410有效地形成了两个光能够通过的单独的平面405和406。沟410是隔离结构，用来改进发射器301和检测器302之间的隔离，使得光在没有经由码轮/码带303反射的情况下很难从发射器301传播到检测器302。
尽管图3和图4中所图示的平顶编码器200/300的检测器202/302和发射器201/301被示为安装在共同的衬底上，但是应该理解到在各种实施例中，检测器和发射器可以安装在不同的衬底上，这在各种情况下是需要的或者有利的，并且理解到检测器和发射器的平面可以沿着，也可以不沿着相同的平面或者平行的平面延伸。
图5示出了图3的新的基于反射的光学编码器的另一个改变形式。如在图5中所图示，这种形式的光学编码器500包括均安装在衬底307上并且封装在壳体504中的光学发射器301和光学检测器302。壳体504具有两个分别位于发射器301和检测器302上方的平面505和506，且平面505和506相对于衬底307各自具有相应的角度θ1/θ2。光学隔离沟510设置在光学发射器301和光学检测器302之间，码轮/码带303位于平面505和506上方适合的距离处。
图5的编码器500的操作与之前示例的操作基本相同。然而，当光通过平面505和506时，该光能够随着角度θ1/θ2。以及各种折射率IF1/IFA和发射器301、检测器302和其它部件的相对空间距离和几何尺寸的改变而发生折射。尽管可以想象到在许多实施例中θ1和θ2将相等，但其它编码器实施例能够采取具有不同θ1和θ2角度的不对称光学布置的形式，其它编码器实施例也能够采取一个角度是零度而另一角度是非零角度的形式。
分析表明：与图3和图4中图示的光学编码器相比，使用带角度的平面可以提高光学编码器的分辨率。然而，对于特定的光学编码器，带角度的平面是否是最佳设计选择可能取决于各种其它设计考虑。
图6示出了图5的光学编码器的改变形式。如在图6中图示，这种形式的光学编码器600具有一些单独和独立的不同之处。第一不同之处是图5的沟510可以由可选的不透光结构610代替以进一步提高隔离效果。第二不同之处是编码器600是具有发射器侧604-1和检测器侧604-2的分叉本体。单独的编码器本体侧604-1和604-2可以视情况由具有不同折射率IF1/IF2的不同材料制成，并且如以上参照图5提及，考虑到诸如发射器301和/或检测器302的定位的其它设计标准会相应地改变，θ1和θ2能够彼此相对改变。
尽管在此处公开了示例性实施例，但是本领域的技术人员可以理解，根据本发明教导可以有许多改变形式仍然在所附权利要求的范围内。因而本实施例除了所附的权利要求范围之外不受限制。

Claims (10)

1.一种基于反射的光学编码设备，其用于检测机械装置的位置和/或运动，所述设备包括：
编码介质，其至少具有第一反射部分；
编码器壳体，其具有嵌在其中的发光源和光检测传感器，所述编码器壳体置于所述编码介质附近，使得能够建立从所述发光源经由所述编码介质的所述第一反射部分到所述光检测传感器的功能性光学路径；
其中，所述编码器壳体包括位于所述发光源和所述编码介质之间的第一平面，所述第一平面相对于共同几何平面具有第一角度，使得从所述发光源向所述编码介质行进的光沿着第一倾斜路径朝着所述编码介质的期望位置折射；
所述编码器壳体还包括第二平面，所述第二平面位于所述光检测传感器和所述编码介质之间，所述第二平面相对于所述共同几何平面具有第二角度使得从所述编码介质的所述期望位置行进的光沿着第二倾斜路径朝着所述光检测传感器折射，
所述第一角度和所述第二角度彼此不同。
2.根据权利要求1所述的光学编码设备，其中，所述编码器壳体具有位于所述发光源和所述光检测传感器之间的光学隔离结构。
3.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述编码器壳体具有一体式结构。
4.根据权利要求3所述的光学编码设备，其中，所述发光源和所述光检测传感器安装在共同的衬底上。
5.根据权利要求1所述的光学编码设备，其中，所述编码器壳体在所述发光源那侧与所述光检测传感器那侧由具有不同折射率的不同材料制成。
6.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述光学隔离结构由沟形成。
7.根据权利要求2所述的光学编码设备，其中，所述光学隔离结构由不透光结构形成。
8.根据权利要求1所述的光学编码设备，其中，所述第一平面和所述第二平面中至少一个不平行于所述共同几何平面。
9.根据权利要求1所述的光学编码设备，其中，所述第一平面和所述第二平面都不平行于所述共同几何平面。
10.根据权利要求1所述的光学编码设备，其中，所述编码介质是码轮和码带中至少一个。
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