CN1242245C - 用于光学编码器的发射光源装置 - Google Patents
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Abstract
一安装在所述框架上的光发射晶片，该光发射晶片具有一与刻度盘的光栅表面基本垂直并处于光栅的方向的光发射表面。一密封光发射元件晶片和框架的模制的透明树脂，第一光学元件反射来自于光发射元件晶片的光，该反射的光基本平行于光栅表面，并处于与光栅的方向垂直的方向，第二光学元件向光栅反射来自于第一光学元件的平行光，由于反射的平行光向光栅汇集，光在光栅的方向上照射在光栅的特定区域上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于反射光学编码器的发射光源装置。
背景技术
两种类型的光学编码器是已知的；第一种是透射类型的编码器；第二种是反射类型的编码器。透射类型的编码器包括一刻度盘，一光发射元件和一光接收元件。该刻度盘具有沿测量的轴线制成的光栅。光发射元件和光接收元件提供在刻度盘侧面的相对部位。在透射类型的编码器中，来自于光发射元件的光作用于刻度盘，并且光透射刻度盘由光接收元件接收。在反射类型的编码器中，光发射元件和光接收元件提供在刻度盘的同一侧面，来自于光发射元件的光作用于刻度盘，并且光从刻度盘反射由光接收元件接收。
由于光发射元件和光接收元件能够提供在刻度盘的同一侧面，因此，反射类型的编码器能够制成较透射类型的编码器小的尺寸。然而，当前市场上流行的可买得到的反射类型的光学编码器具有需要光反射元件和光接收元件精确定位的结构。另外，还需要一个形成用于这些元件的信号搭载线的电路板。由于在结构方面的这些复杂性，反射类型的光学编码器的尺寸不能减小到合适的水平。
为克服这些问题，申请人预先提出了采用树脂块作为一种紧凑的传感器头部的思想(美国专利号5995229)。然而，进一步减小尺寸和厚度的需求增加了。另外，还需要改进发射光源，以便于能够更精确地测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于光学编码器的发射光源装置，该装置能够制成较小的尺寸和厚度，并仍然允许其更精确地测量。
为实现该目的，本发明提供了一种用于反射类型的光学编码器的发射光源装置，该光学编码器将光作用于反射刻度盘，该反射刻度盘具有沿测量的轴线制成的光栅，并且该光学编码器用光接收元件接收来自于反射刻度盘的反射光，以输出一个位移信号，所述装置包括：一相对于所述反射刻度盘布置的框架；一安装在所述框架上的光发射晶片，所述光发射晶片具有一与所述反射刻度盘的光栅表面基本垂直并平行于测量轴线方向的光发射表面；一密封该光发射晶片和所述框架的模制的透明树脂，其中所述透明树脂包括提供在模制的透明树脂的端面的第一光学元件，该端面面对所述光发射晶片的光发射表面，和提供在所述模制的透明树脂的另一端面的第二光学元件，该端面远离光发射晶片的光发射表面，所述第一光学元件反射来自所述光发射晶片的光，来自所述光发射晶片的光基本平行于光栅表面，并处于与测量轴线方向垂直的方向，第二光学元件向光栅反射来自所述第一光学元件的平行光，由于反射的平行光向光栅汇集，光照射在光栅对应于光接收单元的区域上。
在本发明的用于光学编码器的发射光源装置中，光在基本上垂直于光栅表面和基本上垂直于光栅的方向上从光发射晶片发射。而后，光由基本上平行于光栅表面的第一光学元件反射并处于与光栅的方向垂直的方向。而后，由第一光学元件反射的光由第二光学元件向光栅反射，由于光向光栅汇集，光在光栅的方向上作用于光栅的特定区域。
为形成一使从光发射元件的顶部表面发射的光返回刻度盘的凹面镜，该凹形表面必须制成在模制的透明树脂的距光发射晶片一定距离的顶部。在本发明中，光在基本上与光栅表面垂直的方向和与光栅垂直的方向上从光发射晶片发射，也就是说，如果刻度盘位于光源装置下面，将发生侧向散射；这种设计有助于减小光源装置的厚度。
另外，来自于光发射晶片的反射的光基本上与光栅表面平行并处于与光栅的方向垂直的方向上。因此，如果光发射晶片采用点光源，不均匀的光能够变得均匀，另一方面，尺寸能够确实地减小而不受光源的限制。
进一步，通过采用第二光学元件，由于来自于第一光学元件的平行光向光栅汇集，使得该光照射在光栅的一个特定区域上。另一方面，通过第二光学元件，能够使光通量增加，该第二光学元件允许来自于第一光学元件的平行光向光栅汇集，并且该结构减小了光发射晶片的尺寸。
在该发射光源装置中，最好第二光学元件向光栅反射来自于第一光学元件的平行光，并且当反射的平行光向光栅汇集时，照射在光栅上的宽于光接收元件的长度的区域。
由于这种设计，来自于第二光学元件的、在光栅方向上的从光栅反射的、由光接收元件接收的平行光照射在光栅上的宽于光接收元件的长度的区域。另一方面，接收的光包含了照射在光栅上的宽于光接收元件的长度的区域的光的信息。同时，这些修正导致了在刻度盘上的波动、色斑以及栅距偏差能够有效地减小，能够保证更精确地测量。
第二光学元件最好包括一由平表面和在相对的另一端侧的凸球形表面构成的平凸柱形透镜，在该平表面处，来自于第一光学元件的平行光入射。最好第一光学元件由球形或非球形透镜构成，该透镜在光发射晶片处具有焦点。通过这样的设计，本发明的上述优点通过比较简单的结构和廉价的结构能够实现。
在更多的实施例中，一反射膜制成在第一和第二光学元件的外表面上。采用这样的设计，外来光的影响能够备减少。
附图说明
图1是按照本发明的光学编码器的实施例的平面视图；
图2是该实施例的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的一个实施例进行说明。
图1是按照本发明的实施例中的光学编码器的平面视图，以及图2是该光学编码器的剖视图。该光学编码器包括两个部件(第一部件1和第二部件2)，一反射刻度盘11，一发射光源装置21，以及一光接收单元31。第一、第二部件1、2彼此相对移动(以垂直于图2所示的纸面的方向)。反射刻度盘11提供在第一部件1上。发射光源装置21提供在第二部件2上发射照射在刻度盘11上的光。光接收单元31提供在第二部件2上，并且，该光接收单元31包括一光接收元件，该光接收元件接收来自于刻度盘11的光，并输出一个位移信号。第二部件2具有两个孔3、4。该孔3用于穿过来自于发射光源装置21的光照射在刻度盘11上。孔4用于将光接收单元31安装在第二部件2上。
刻度盘11包括一个刻度盘基座12和一个光栅13。刻度盘基座12具有狭片，该狭片由具有较小的线性膨胀系数的材料(例如玻璃)制成。光栅13以部件1和2相对移动的方向(沿测量的轴线)制成在刻度盘基座12的表面上。光栅13由一个光反射部和一个非反射部构成，光反射部和非反射部在部件1和2相对移动的方向(沿测量的轴线)的间隔为栅距λ。
发射光源装置21包括：一框架22，一光发射晶片23，一模制的透明树脂24。光发射晶片23以其具有的光发射表面垂直于刻度盘11的光栅13的表面和处于光栅13的方向上的形式安装在框架22上(沿测量的轴线)。光发射晶片23在基本上垂直于光栅表面并在基本上垂直于光栅13的方向上发射光。在第二部件2上的模制的透明树脂24密封光发射晶片23和框架22。在该实施例中，光发射晶片23由半导体光发射装置(LED)构成。
第一光学元件25提供在模制的透明树脂24的端面，该端面面对光发射元件晶片23的光发射表面。第一光学元件25反射来自于光发射元件晶片23的基本平行于光栅表面的光，并处于与光栅13的方向垂直的方向。第二光学元件26提供在模制的透明树脂24的另一端面，该端面远离光发射晶片23的光发射表面。第二光学元件26向光栅13反射来自于第一光学元件25的光，由于反射的平行光向光栅13汇集，光在光栅13的方向上照射在光栅13的特定区域上(至少由来自于光栅13所覆盖的光接收单元31的光接收表面的区域或较宽的区域)。
第一光学元件25由在模制的透明树酯24的一端面的第一透镜(球形或非球形透镜)构成，该透镜在光发射晶片23上具有焦点。第二光学部件26由包括由平表面(垂直)和在相对的另一端侧的凸球形表面组成的平凸柱形透镜构成，在该平表面处，来自于第一光学元件25的平行光入射(在模制的透明树脂24的外表面)。这些透镜的外表面涂有反射薄膜。
光接收单元31包括一光接收元件阵列PDA(未示出)。在刻度盘11上给出了光栅13的栅距(λ)，PDA阵列至少包括一套光电二极管，每套包括四个以3λ/4间距布置的光电二极管。当刻度盘11被移动时(由于第一、第二部件1、2的移动)，阵列PDA将产生相差270°四个阶段(A、BB、AB和B)的位移信号。
在该实施例中，光发射晶片23在基本上垂直于光栅表面和光栅13的方向上发射光。从光发射晶片23发射的光由第一光学元件25反射，反射的光基本上平行于光栅表面并处于与光栅13垂直的方向。而后，由第一光学元件25反射的光由第二光学元件26向光栅13反射，并当光向光栅13汇集时，该光在光栅13上在光栅的方向上覆盖一个较光接收单元31的光接收表面宽的区域。
为形成一使从光发射元件的顶部表面发射的光返回刻度盘的凹面镜，该凹形表面必须制成在距光发射晶片一定距离的模制的透明树脂的顶部。在本实施例中，光在基本上与光栅13表面垂直的方向和与光栅13的方向垂直的方向上从光发射晶片23发射，这种设计有助于减小光源装置的厚度。值得注意的是，模制的透明树脂的厚度能够减小到约4mm。
另外，来自于光发射晶片23的反射的光基本上与光栅表面平行并处于与光栅13的方向垂直的方向上。因此，如果光发射晶片23采用点光源，不均匀的光能够变得均匀。另一方面，尺寸能够确实地减小而不受光源的限制。
进一步，通过采用第二光学元件26，由于来自于第一光学元件25的平行光向光栅13汇集，使得该光照射在光栅13的一个特定区域上。另一方面，通过第二光学元件26，能够使光通量增加，该第二光学元件26允许来自于第一光学元件25的平行光向光栅13汇集，并且该结构减小了光发射晶片23的尺寸。
进一步，第二光学元件26使得来自于第一光学元件25的平行光照射在光栅13上，在光栅13上的覆盖区域宽于光接收元件31(特别是光接收元件31的光接收表面)的长度。另一方面，接收的光包含了照射在光栅上的宽于光接收元件31(特别是光接收元件31的光接收表面)的长度的区域的光的信息。同时，这些修正导致了在刻度盘上的波动、色斑以及栅距偏差能够有效地减小，能够保证更精确地测量。
第一光学元件25包括一球形或非球形透镜，该透镜在光发射晶片23处具有焦点。另外，第二光学元件26包括一由平表面和在相对的另一端侧的凸球形表面构成的平凸柱形透镜，在该平表面处，来自于第一光学元件25的平行光入射。通过这样的设计，本发明的上述优点通过比较简单和廉价的结构能够实现。
另外，在第一光学元件25或第二光学元件26的外表面上制成一反射膜。采用这样的设计，能够有效地减少外来光的影响。
作为进一步的优点，光发射晶片23和框架22都可以用模制的透明树脂密封，这样的结构能够增加产品质量的紧凑性。
值得注意的是，本发明不局限于上述实施例所述的结构，并且还可以包括下列的变化。
对于第一光学元件25，在实施例中所述的透镜并不是唯一的例子，其他的照准仪透镜也可以采用。
对于第二光学元件26，在实施例中所述的透镜并不是唯一的例子，其他的光学元件也可以采用，如采用散射板、分光镜光栅以及衍射光栅。
在该实施例中，光接收单元31是一个与发射光源装置21分离的部件，如果需要，光接收单元31可以装配在发射光源装置21上，作为整体部件的一部分。这些优点减少了在安装过程中的步骤的数量，以及在安装期间的光接收单元31与发射光源装置21所需要的照射调整。
还值得注意的是，对于光发射晶片23，实施例中所述的半导体光发射装置(LED)并不是唯一的例子，激光光源也可以采用。
本发明的用于光学编码器的发射光源装置作为一种光源装置能够实用，该装置能够制成较小的尺寸并能够用于更精确的测量。
Claims (6)
1.一种用于反射类型的光学编码器的发射光源装置，该光学编码器将光作用于反射刻度盘，该反射刻度盘具有沿测量的轴线制成的光栅，并且该光学编码器用光接收元件接收来自于反射刻度盘的反射光，以输出一个位移信号，所述装置包括：
一相对于所述反射刻度盘布置的框架；
一安装在所述框架上的光发射晶片，所述光发射晶片具有一与所述反射刻度盘的光栅表面基本垂直并平行于测量轴线方向的光发射表面；
一密封该光发射晶片和所述框架的模制的透明树脂，
其特征在于：所述透明树脂包括提供在模制的透明树脂的端面的第一光学元件，该端面面对所述光发射晶片的光发射表面，和提供在所述模制的透明树脂的另一端面的第二光学元件，该端面远离光发射晶片的光发射表面，所述第一光学元件反射来自所述光发射晶片的光，来自所述光发射晶片的光基本平行于光栅表面，并处于与测量轴线方向垂直的方向，第二光学元件向光栅反射来自所述第一光学元件的平行光，由于反射的平行光向光栅汇集，光照射在光栅对应于光接收单元的区域上。
2.按照权利要求1所述的发射光源装置，其特征在于：所述第二光学元件向光栅反射来自于第一光学元件的光，由于反射的平行光向光栅汇集，光在沿测量轴线方向照射在光栅上的区域宽于所述光接收元件的光接收表面。
3.按照权利要求1所述的发射光源装置，其特征在于：所述第二光学元件包括一平凸柱形透镜，它由位于透镜一侧的平表面和位于透镜相对侧的凸球形表面构成，在该平表面处，来自于第一光学元件的平行光入射。
4.按照权利要求1所述的发射光源装置，其特征在于：所述第一光学元件包括一球形或非球形透镜，该透镜在光发射晶片处具有焦点。
5.按照权利要求1所述的发射光源装置，还包括：
在第一光学元件或第二光学元件的外表面上制成一反射膜。
6.按照权利要求1所述的发射光源装置，其特征在于：所述光接收元件与所述发射光源装置制成一个整体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20060215 |