DE10313363A1

DE10313363A1 - Optische Codierervorrichtung

Info

Publication number: DE10313363A1
Application number: DE10313363A
Authority: DE
Inventors: Chong Chee Keong; Chin Yee Loong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: US20030193015A1; JP2003315102A; GB2390897A; JP4472265B2; GB2390897B; GB0308314D0; CN100432822C; CN1450396A; DE10313363B4; US6995356B2

Abstract

Eine optische Codierervorrichtung weist folgende Merkmale auf: einen optischen Emitter zum Emittieren von Licht, wobei der optische Emitter eine Lichtemissionsrichtung aufweist; einen optischen Detektor zum Erfassen von Licht, das durch den optischen Emitter emittiert wird, wobei der optische Detektor eine Lichterfassungsrichtung aufweist, die sich von der Lichtemissionsrichtung unterscheidet; ein optisches Element zum Steuern eines optischen Pfades zwischen dem optischen Emitter und dem optischen Detektor, derart, daß Licht, das durch den optischen Emitter emittiert wird, durch den optischen Detektor erfaßt werden kann;und einen freien Bereich in der optischen Codierervorrichtung zum Unterbringen einer bewegbaren optischen Codierungseinheit, die eine Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente aufweist, derart, daß die Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente der optischen Codierungseinheit in der Lage ist, den optischen Pfad zu beeinflussen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Codierervorrichtung und insbesondere auf den detaillierten Entwurf einer optischen Codierervorrichtung.

Ein Codierer ist eine Vorrichtung, die eine Rückkopplung an ein Geschlossene-Schleife-System liefert. Der Codierer aktiviert eine Signalinterpretation, um Informationen über eine Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder dergleichen zu erhalten, wenn der Codierer in Verbindung mit einem Coderad oder einem Codestreifen arbeitet. Coderäder werden allgemein zur Erfassung der Rotationsbewegung von z. B. einer Papierzuführungstrommel in einem Drucker oder einer Kopiermaschine verwendet, während Codestreifen zur Erfassung der linearen Bewegung von z. B. einem Druckkopf eines Druckers verwendet werden.

Üblicherweise wird die Bewegung des Coderads oder des Codestreifens optisch mittels eines optischen Emitters und eines optischen Detektors erfaßt. Deshalb ist der Codierer üblicherweise ein optischer Codierer. Der optische Emitter emittiert Licht in einer Lichtemissionsrichtung in Richtung des Coderads/Codestreifens. Das Coderad/der Codestreifen weist eine regelmäßige Struktur von Schlitzen und Stäben auf. Gemäß der Position der Schlitze und Stäbe relativ zu der Lichtemissionsrichtung ermöglicht und verhindert das Coderad/der Codestreifen abwechselnd bzw. alternierend, daß Licht durch dasselbe/denselben gelangt. Der optische Detektor ist hinter dem Coderad/Codestreifen positioniert, wenn dies in der Richtung der Lichtemission von dem optischen Emitter betrachtet wird, und erfaßt ein Lichtsignal basierend auf dem Licht, das durch den optischen Emitter emittiert und durch das Coderad/den Codestreifen übertragen wird. Das erfaßte Lichtsignal ist entweder vierfach oder sinuswellenförmig und die Frequenz des Lichtsignals ergibt eindeutige Informationen über die Bewegung des Coderades/Codestreifens.

Aufgrund der speziellen Anordnung des optischen Emitters und des optischen Detektors eines derartigen optischen Codierers ist das Optischer-Codierer-Gehäuse zum Unterbringen des optischen Codierers im allgemeinen C-förmig. Der optische Codierer gemeinsam mit dem C-förmigen Optischer- Codierer-Gehäuse bildet eine C-förmige optische Codierervorrichtung. Das Coderad/der Codestreifen läuft durch den freien Bereich (die Ausnehmung) der C-förmigen optischen Codierervorrichtung und bewegt sich derart, daß der optische Codierer die Schlitze und Stäbe, die in dem Coderad/Codestreifen gebildet sind, erfassen kann. Die Fig. 2A und 2C zeigen Querschnitte durch eine derartige C- förmige optische Codierervorrichtung 201 gemeinsam mit einem Coderad 202 bzw. einem Codestreifen 203 und die Fig. 2B und 2D zeigen Draufsichten davon. Das Coderad 202 und der Codestreifen 203 sind mit einer regelmäßigen Struktur von Schlitzen 204 (und Stäben zwischen den Schlitzen 204) versehen, die derart angeordnet sind, daß eine Bewegung des Coderades 202 bzw. des Codestreifens 203 eindeutig erfaßbar ist. Deshalb läuft das Coderad 202 bzw. der Codestreifen 203 durch den freien Bereich 205 der allgemein C-förmigen optischen Codierervorrichtung 201, die das Coderad 202 bzw. den Codestreifen 203 umfaßt. Wenn das Coderad 202 um die Mittelachse C in einer Richtung gedreht wird, die durch die Pfeile 206 angezeigt ist, bzw. wenn der Codestreifen 203 linear in einer Richtung bewegt wird, die durch die Pfeile 207 angezeigt ist, bewirken die Schlitze 204 (und die Stäbe zwischen den Schlitzen 204) ein alternierendes Lichtsignal in dem optischen Detektor des optischen Codierers, was zu eindeutigen Informationen über die Bewegung des Coderades 202 bzw. des Codestreifens 203 führt.

Allgemein ist die C-förmige optische Codierervorrichtung 201 auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) befestigt, die im Inneren des Gerätes, z. B. eines Druckers oder einer Kopiermaschine, positioniert ist, und die für ein elektrisches Koppeln des optischen Codierers mit der Steuerungseinheit des Gerätes verwendet wird. Die C-förmige optische Codierervorrichtung 201 selbst weist als Hauptkomponenten einen optischen Emitter 208 und einen optischen Detektor 209 auf. Der optische Emitter 208 kann eine lichtemittierende Diode sein, wohingegen der optische Detektor 209 üblicherweise ein Array von Photodioden ist. Der optische Emitter 208 und der optische Detektor 209 sind derart im Inneren der C-förmigen optischen Codierervorrichtung 201 angeordnet, daß ein gerader optischer Pfad 211 für Licht resultiert, das durch den optischen Emitter 208 emittiert und durch den optischen Detektor 209 erfaßt wird. Licht, das durch den optischen Emitter 208 emittiert wird und sich entlang des optischen Pfades 211 bewegt, wird zuerst mittels einer optischen Linse 210 in paralleles Licht kollimiert, die neben dem optischen Emitter 208 positioniert ist, dann durch den freien Bereich 205 und teilweise durch das Coderad 202 bzw. den Codestreifen 203 übertragen und schließlich durch den optischen Detektor 209 erfaßt, der gegenüber dem optischen Emitter 208 plaziert ist. Aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung des optischen Emitters 208 und des optischen Detektors 209 hinsichtlich des Coderades 202 bzw. des Codestreifens 203 wird eine spezielle optische Durchstrahllösung für das Coderad 202 bzw. den Codestreifen 203 geschaffen. Diese optische Durchstrahllösung liefert eine gute Leistung zur Erfassung der Bewegung des Coderades 202 bzw. des Codestreifens 203.

Die verfügbaren optischen Codierervorrichtungen gemäß dem Stand der Technik werden jedoch mit einer großen Anzahl von Teilen in aufwendigen Prozessen und mit großen Herstellungskosten hergestellt.

Fig. 3A zeigt einen Querschnitt durch einen ersten Typ von optischer Codierervorrichtung 301 gemäß dem Stand der Technik. Die erste optische Codierervorrichtung 301 weist einen optischen Emitter 208 und einen optischen Detektor 209 auf, die auf einem Leitungsrahmen oder Lead Frame 302 angeordnet sind. Der Leitungsrahmen 302 ist in einem Gehäusematerial 304 eingelassen und weist einen elektrischen Schaltungsaufbau (nicht gezeigt) auf, der zum elektrischen Kontaktieren des optischen Emitters 208 und des optischen Detektors 209 verwendet wird. Allgemein sind der optische Emitter 208 und der optische Detektor 209 jeweils mit einer Kapsel 303 bedeckt. Während einer Herstellung der optischen Codierervorrichtung 301 werden der optische Emitter 208 und der optische Detektor 209 zuerst auf einem einzelnen gemeinsamen flachen Leitungsrahmen 302 plaziert und dann mit den Kapseln 303 bedeckt. Danach wird der flache gemeinsame Leitungsrahmen 302 mit dem optischen Emitter 208, dem optischen Detektor 209 und den Kapseln 303 mit einem optischen transparenten Gehäusematerial 304 bedeckt. Ferner ist eine optische Linse 210 direkt oberhalb des optischen Emitters 208 und teilweise innerhalb des Gehäusematerials 304 vorgesehen. Zusätzlich ist ein Fenster 305 direkt oberhalb des optischen Detektors 209 und teilweise im Inneren des Gehäusematerials 304 vorgesehen.

Die optische Linse 210 und das Fenster 305 sind vorgesehen, um eine zufriedenstellende optische Übertragung für Licht durch die Oberfläche des Gehäusematerials 304 an vorbestimmten Orten zu ermöglichen. Ferner ist die optische Linse 210 vorgesehen, um Licht, das durch den optischen Emitter 208 emittiert wird, in parallele Lichtstrahlen zu kollimieren. Nach einer Herstellung der optischen Linse 210 und des Fensters 305 wird die dazwischenliegende Vorrichtung in ein optisches Emitterelement 306 und ein optisches Detektorelement 307 unterteilt. Dann wird das optische Emitterelement 306 oberhalb des optischen Detektorelements 307 plaziert, wie in Fig. 3A mit einem Pfeil 308 angezeigt ist, derart, daß der optische Emitter 208 gemeinsam mit der optischen Linse 210 gegenüber dem optischen Detektor 209 und dem Fenster 305 zum Bilden eines C-förmigen optischen Codierers plaziert ist. Schließlich wird das optische Emitterelement 306 mit einer Befestigungsklammer (nicht gezeigt) an dem optischen Detektorelement 307 befestigt. Deshalb wird Licht, das durch den optischen Emitter 208 emittiert wird, durch die optische Linse 210 kollimiert, durch den freien Bereich 205 zwischen dem optischen Emitter 208 und dem optischen Detektor 209 und durch das Fenster 305 übertragen und durch den optischen Detektor 209 erfaßt. So stellt der erste Typ von optischer Codierervorrichtung 301 eine gefaltete Vorrichtung dar, die das optische Emitterelement 306 und das optische Detektorelement 307 aufweist.

Fig. 3B zeigt einen Querschnitt durch einen zweiten Typ von optischer Codierervorrichtung 310 gemäß dem Stand der Technik. Im Gegensatz zu dem ersten Typ von optischer Codierervorrichtung 301, die oben beschrieben ist, wird der zweite Typ von optischer Codierervorrichtung 310 unterschiedlich hergestellt und weist ein C-förmiges Codierergehäuse 311 mit einem freien Bereich (Ausnehmung) 205 auf. Das Codierergehäuse 311 weist ein optisches transparentes Material und eine optische Linse 210 auf. Ein optisches Emitterelement 312 und ein optisches Detektorelement 313 werden separat hergestellt und nachfolgend in jeweilige Ausnehmungen eingesetzt, die in dem Codierergehäuse 311 gebildet sind, derart, daß der optische Emitter 208 neben der optischen Linse 210 plaziert ist. Das optische Emitterelement 312 und das optische Detektorelement 313 weisen jeweils einen Leitungsrahmen 314, auf dem der optische Emitter 208 bzw. der optische Detektor 209 befestigt sind, sowie ein Gehäuse auf. Die Leitungsrahmen 314 weisen einen elektrischen Schaltungsaufbau (nicht gezeigt) zum elektrischen Kontaktieren des optischen Emitters 208 bzw. des optischen Detektors 209 auf. Deshalb stellt dieser zweite Typ von optischer Codierervorrichtung 310 eine zusammengesetzte Vorrichtung mit einzeln hergestellten Elementen dar.

Der erste Typ von optischer Codierervorrichtung 301 und der zweite Typ von optischer Codierervorrichtung 310 gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch einige Nachteile auf. Unter anderem benötigen dieselben eine große Anzahl von Teilen und beinhalten aufwendige Verarbeitungsverfahren und bewirken dadurch hohe Produktionskosten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Codierervorrichtung zu schaffen, die unaufwendiger hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Codierervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Eine optische Codierervorrichtung gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung weist folgende Merkmale auf: einen optischen Emitter zum Emittieren von Licht, wobei der optische Emitter eine Lichtemissionsrichtung aufweist; einen optischen Detektor zum Erfassen von Licht, das durch den optischen Detektor emittiert wird, wobei der optische Detektor eine Lichterfassungsrichtung aufweist, die sich von der Lichtemissionsrichtung unterscheidet; ein optisches Element zum Steuern eines optischen Pfades zwischen dem optischen Emitter und dem optischen Detektor, derart, daß Licht, das durch den optischen Emitter emittiert wird, durch den optischen Detektor erfaßt werden kann; und einen freien Bereich in der optischen Codierervorrichtung zum Unterbringen einer bewegbaren optischen Codierungseinheit, die eine Mehrzahl von alternierenden transparenten und lichtundurchlässigen Codierungselementen aufweist, derart, daß die Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente der optischen Codierungseinheit den optischen Pfad beeinflussen kann.

Licht in dem Zusammenhang der vorliegenden Erfindung kann elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge, insbesondere z. B. sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung und/oder Infrarotstrahlung, sein.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, daß die optische Codierervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl eine optische Durchstrahllösung für das optische Codierungselement, wie z. B. ein Coderad/einen Codestreifen, als auch ein einzelnes ungefaltetes gemeinsames Substrat ermöglicht, das sowohl den optischen Emitter als auch den optischen Detektor aufweist. Die optische Durchstrahllösung für das optische Codierungselement weist den Vorteil einer hohen Leistung auf und das einzelne ungefaltete gemeinsame Substrat weist den Vorteil auf, daß die optische Codierervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einfachen Herstellungsoperationen und mit wenigen Prozeßschritten hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Anzahl von Teilen, die miteinander ausgerichtet und aneinander befestigt werden müssen, hinsichtlich des Stands der Technik reduziert wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mittels der vereinfachten Herstellungsoperationen, der reduzierten Verfahrensschritte und der reduzierte Anzahl von Teilen die Produktionskosten reduziert werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen gleiche Teile oder Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A und 2C Querschnitte durch eine schematische optische Co- dierervorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2B und 2D Draufsichten einer schematischen optischen Codie- rervorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3A einen Querschnitt durch einen ersten Typ von optischer Codierervorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3B einen Querschnitt durch einen zweiten Typ von optischer Codierervorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung 100 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die optische Codierervorrichtung 100 ist im wesentlichen C- förmig und weist ein Substrat 101, das einen elektrischen Schaltungsaufbau 102 aufweist, einen optischen Emitter 103, einen optischen Detektor 104 und ein optisches Element 109 auf. Der optische Emitter 103 und der optische Detektor 104 sind elektrisch mit dem elektrischen Schaltungsaufbau 102 verbunden, sind benachbart zueinander auf einer flachen Innenoberfläche S des Substrats 101 befestigt und jeder derselben ist mit einer Kapsel 105 bedeckt. Allgemein kann das Substrat 101 gemäß der Erfindung z. B. ein Leitungsrahmen, ein einfügungsgeformter Leitungsrahmen, eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB), ein Keramiksubstrat oder eine Mikroverbindungsvorrichtung (MID) sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die optische Codierervorrichtung 100 in Verbindung mit einem einfügungsgeformten Leitungsrahmen als dem Substrat 101 beschrieben. Der optische Emitter 103 weist eine Lichtemissionsrichtung auf, die mit einem Bezugszeichen E angezeigt ist. Der optische Detektor 104 weist eine Lichterfassungsrichtung auf, die mit einem Bezugszeichen D angezeigt ist und die sich von der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters 103 unterscheidet. Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der optische Emitter 103 und der optische Detektor 104 derart angeordnet, daß die Lichtemissionsrichtung E und die Lichterfassungsrichtung D zumindest im wesentlichen antiparallel sind. Der Leitungsrahmen 101 schließt einen Luftzwischenraum 106 ein und weist eine optische Linse 107 oberhalb des optischen Emitters 103 im wesentlichen in der Lichtemissionsrichtung E auf. Die optische Linse 107 kann an dem Leitungsrahmen 101 befestigt sein. Licht, das durch den optischen Emitter 103 emittiert wird, wird durch die optische Linse 107 in parallele Lichtstrahlen kollimiert und gelangt in der Lichtemissionsrichtung E oberhalb des Lichtemitters 103 sowie oberhalb des Lichtdetektors 104 in das optische Element 109. Das Licht, das durch den optischen Emitter 103 emittiert wird und in das optische Element 109 gelangt, bewegt sich entlang eines optischen Pfades 108 im Inneren des optischen Elements 109 in Richtung des optischen Detektors 104.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das optische Element 109 derart angeordnet, daß es eine innere Reflexion im Inneren des optischen Elements 109 ermöglicht. Deshalb weist das optische Element 109 ein optisches transparentes Material sowie eine flache erste Oberfläche 110 und eine flache zweite Oberfläche 111 auf, die einander gegenüberliegen. Die erste Oberfläche 110 und die zweite Oberfläche 111 sind in dem optischen Element 109 gegenüber dem Lichtemitter 103 und dem Lichtdetektor 104 angeordnet und bilden eine Schnittstelle zu dem benachbarten Medium neben dem optischen Element 109.
Wenn Licht von einem Medium mit hoher Dichte auf eine Grenzfläche zwischen dem Medium mit hoher Dichte und einem Medium mit niedriger Dichte trifft, wird das Licht im allgemeinen weg von der normalen Ebene der Grenzfläche gebrochen (Snelliussches Gesetz). Wenn der Winkel, der zwischen der Richtung des auftreffenden Lichts und der normalen Ebene der Grenzfläche eingeschlossen ist, größer als ein kritischer Wert ist, wird das Licht vollständig an der Grenzfläche reflektiert und verläßt das Medium mit hoher Dichte nicht. Dieses Verhalten ist als innere Totalreflexion bekannt. Die erste Oberfläche 110 und die zweite Oberfläche 111 umschließen jeweils einen vorbestimmten Winkel mit der Lichtemissionsrichtung E, derart, daß die vorbestimmten Winkel größer als der kritische Winkel der Grenzflächen zwischen dem optischen Element 109 und dem benachbarten Medium sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das optische Element 109 ein Epoxydharz auf, wohingegen das benachbarte Medium Luft ist. Deshalb ist der kritische Winkel für die erste Oberfläche 110 und die zweite Oberfläche 111 etwa 41°. So steuern die erste Oberfläche 110 und die zweite Oberfläche 111 den optischen Pfad 108 zwischen dem optischen Emitter 103 und dem optischen Detektor 104.
Um eine Totalreflexion des auftreffenden Lichtes an der ersten Oberfläche 110 und der zweiten Oberfläche 111 sicherzustellen, kann das optische Element 109 mit einem reflektierenden Material auf der ersten Oberfläche 110 und/oder der zweiten Oberfläche 111 beschichtet sein. Eine derartige Beschichtung ist hilfreich, um das optische Element 109 weniger anfällig gegenüber Herstellungsungenauigkeiten der optischen Codierervorrichtung 100 oder Fluktuationen der Lichtemissionsrichtung E während des Betriebs des Lichtemitters 103 zu machen, und verhindert desralb einen unerwünschten Lichtverlust an der ersten Oberfläche 110 bzw. der zweiten Oberfläche 111.
Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schließt die erste Oberfläche 110 einen ersten Winkel mit zumindest im wesentlichen -45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters 103 ein, wohingegen die zweite Oberfläche 11 einen zweiten Winkel von zumindest im wesentlichen +45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters 103 einschließt. Das Licht, das oberhalb des optischen Emitters 103 in das optische Element 109 gelangt und sich entlang des optischen Pfades 108 bewegt, trifft auf die erste Oberfläche 110, wird vollständig an der ersten Oberfläche 110 reflektiert und in Richtung der zweiten Oberfläche 111 gelenkt. Nach einem Bewegen zu der zweiten Oberfläche 111 wird dieses Licht vollständig an der zweiten Oberfläche 111 reflektiert, derart, daß es nun auf den optischen Detektor 104 gelenkt wird. Deshalb ist der optische Pfad 108 aufgrund der ersten Oberfläche 110 und der zweiten Oberfläche 111 im wesentlichen U-förmig.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der optische Emitter 103 eine lichtemittierende Diode und der optische Detektor 104 weist ein Array von Photodioden auf. Der optische Emitter 103 kann Licht als eine Punktquelle, als eine Schlitzquelle, als eine Ebenenquelle oder als eine volumetrische Quelle emittieren. Die optische Codierervorrichtung 100 weist ferner einen freien Bereich 113 zum Unterbringen einer bewegbaren optischen Codierungseinheit 112 auf, die eine Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die optische Codierungseinheit 112 ein Coderad/Codestreifen und weist eine regelmäßige Struktur von Schlitzen und Stäben (nicht gezeigt) auf. Die optische Codierungseinheit 112 ist derart angeordnet, daß die regelmäßige Struktur in der Lage ist, den optischen Pfad 108 zu beeinflussen. Ein Signalprozessor (nicht gezeigt) ist elektrisch mit dem optischen Detektor 104 zum Verarbeiten der elektrischen Signale, die durch den optischen Detektor 104 erzeugt werden, auf der Basis einer Abweichung des erfaßten Lichts verbunden, was durch eine Bewegung der optischen Codierungseinheit 112 im Inneren des freien Bereichs 113 bewirkt wird. Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der freie Bereich 113 im Inneren des optischen Elements 109 zwischen der ersten Oberfläche 110 und der zweiten Oberfläche 111 angeordnet.
Das optische Element 109 ist einstückig gebildet, weshalb die Herstellung der optischen Codierervorrichtung 100 verglichen mit dem Stand der Technik eine geringere Anzahl von Produktteilen beinhaltet.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung 400 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Teile, die bereits aus Fig. 1 bekannt sind, werden nicht noch einmal beschrieben.
Der einzige Unterschied zwischen der optischen Codierervorrichtung 400 gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und der optischen Codierervorrichtung 100 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der freie Bereich 113 im Inneren des optischen Elements 109 zwischen der zweiten Oberfläche 111 und dem optischen Detektor 104 angeordnet ist. Die Tatsache, daß der freie Bereich 113 näher an dem optischen Detektor 104 positioniert ist, weist die Vorteile auf, daß optische Beugungen, die durch die optische Codierungseinheit 112 bewirkt werden, reduziert werden, da der restliche optische Pfad 108 zwischen der optischen Codierungseinheit 112 und dem optischen Detektor 104 kurz ist, und daß die Antwortzeit auf eine Bewegung der optischen Codierungseinheit 112 reduziert wird.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung 500 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Teile, die bereits aus den Fig. 1 oder 4 bekannt sind, werden nicht noch einmal beschrieben.
Im Gegensatz zu den optischen Codierervorrichtungen 100 und 400 gemäß dem ersten und dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die optische Codierervorrichtung 500 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Substrat 501 auf, das in dem optischen Element 109 gegenüber einer nicht flachen ersten Oberfläche 502 und der flachen zweiten Oberfläche 111 eingelassen ist. Wie bei dem ersten und dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Substrat 501 z. B. ein Leitungsrahmen, ein einfügungsgeformter Leitungsrahmen, eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB), ein Keramiksubstrat oder eine Mikroverbindungsvorrichtung (MID) sein. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist in Verbindung mit einem einfügungsgeformten Leitungsrahmen als dem Substrat 501 beschrieben. Der einfügungsgeformte Leitungsrahmen 501 bildet die optische untere Oberfläche des optischen Elements 109. Angebracht an dem Leitungsrahmen 501 sind der optische Emitter 103 und der optische Detektor 104. Die optische Codierervorrichtung 500 weist keine optische Linse auf, da die erste Oberfläche 502 des optischen Elements 103 eine dreidimensionale parabolische Form aufweist. Deshalb wirkt die erste Oberfläche 502 als ein Totalreflexionsspiegel sowie als ein Kollimator für Licht, das in der Lichtemissionsrichtung E von dem Lichtemitter 103 auftrifft. So bildet Licht, das vollständig von der ersten Oberfläche 502 reflektiert wird, einen parallelen Lichtstrahl, bevor es auf die zweite Oberfläche 111 auftrifft. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, können die erste Oberfläche 502 und/oder die zweite Oberfläche 111 mit einem Reflexivmaterial beschichtet sein, um das optische Element 109 weniger anfällig für Herstellungsungenauigkeiten der optischen Codierervorrichtung 500 oder Fluktuationen der Lichtemissionsrichtung E während des Betriebs des Lichtemitters 103 zu machen, und dadurch einen unerwünschten Lichtverlust an der ersten Oberfläche 502 bzw. der zweiten Oberfläche 111 zu vermeiden.
Gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schließt die zweite Oberfläche 111 einen Winkel von zumindest im wesentlichen +45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters 103 ein. Das Licht, das oberhalb des optischen Emitters 103 in das optische Element 109 gelangt und sich entlang des optischen Pfades 108 bewegt, trifft auf die erste Oberfläche 502, wird an der ersten Oberfläche 502 vollständig reflektiert und kollimiert und in Richtung der zweiten Oberfläche 111 gelenkt. Nach einem Bewegen zu der zweiten Oberfläche 111 wird dieses Licht vollständig an der zweiten Oberfläche 111 reflektiert, derart, daß es nun auf den optischen Detektor 104 gelenkt wird. Deshalb ist der optische Pfad 108 aufgrund der ersten Oberfläche 502 und der zweiten Oberfläche 111 im wesentlichen U-förmig. Gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und ähnlich dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der freie Bereich 113 im Inneren des optischen Elements 109 zwischen der ersten Oberfläche 502 und der zweiten Oberfläche 111 angeordnet.
Die Verwendung einer dreidimensionalen parabolisch geformten ersten Oberfläche 502 anstelle einer optischen Kollimierungslinse gemeinsam mit einer flachen ersten Oberfläche weist den Vorteil auf, daß die Parallelität des Lichtstrahls, der sich entlang des verbleibenden optischen Pfads 108 bewegt, erhöht wird und deshalb die Leistung der optischen Codierervorrichtung 500 verbessert wird.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung 600 gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Teile, die bereits aus den Fig. 1, 4 oder 5 bekannt sind, werden nicht noch einmal beschrieben.
Der einzige Unterschied zwischen der optischen Codierervorrichtung 600 gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und der optischen Codierervorrichtung 500 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der freie Bereich 113 im Inneren des optischen Elements 109 zwischen der zweiten Oberfläche 111 und dem optischen Detektor 104 angeordnet ist. Die Tatsache, daß der freie Bereich 113 näher an dem optischen Detektor 104 positioniert ist, weist die Vorteile auf, daß optische Beugungen, die durch die optische Codierungseinheit 112 bewirkt werden, reduziert werden, da der restliche optische Pfad 108 zwischen der optischen Codierungseinheit 112 und dem optischen Detektor 104 kurz ist, und daß die Antwortzeit auf eine Bewegung der optischen Codierungseinheit 112 reduziert wird.
In der folgenden Tabelle 1 sind die Anzahl und Art von Teilen, die zur Herstellung einer optischen Codierervorrichtung erforderlich sind, für die optischen Codierervorrichtungen 500 und 600 gemäß dem dritten und dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, für die optischen Codierervorrichtungen 100 und 400 gemäß dem ersten und dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie für die erste und die zweite optische Codierervorrichtung 301 und 310 gemäß dem Stand der Technik verglichen. Tabelle 1
Aus Tabelle 1 wird klar, daß die vorliegende Erfindung, insbesondere sowohl das dritte als auch das vierte bevorzugte Ausführungsbeispiel, die Anzahl benötigter Teile für eine optische Codierervorrichtung reduziert. Deshalb reduziert eine optische Codierervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellungsprozesse sowie die Herstellungskosten wesentlich.

Claims

1. Optische Codierervorrichtung (100) mit folgenden Merkmalen:
einem optischen Emitter (103) zum Emittieren von Licht, wobei der optische Emitter (103) eine Lichtemissionsrichtung (E) aufweist;
einem optischen Detektor (104) zum Erfassen von Licht, das durch den optischen Emitter (103) emittiert wird, wobei der optische Detektor (104) eine Lichterfassungsrichtung (D) aufweist, die sich von der Lichtemissionsrichtung unterscheidet;
einem optischen Element (109) zum Steuern eines optischen Pfads (108) zwischen dem optischen Emitter (103) und dem optischen Detektor (104), derart, daß Licht, das durch den optischen Emitter (103) emittiert wird, durch den optischen Detektor (104) erfaßt werden kann; und
einem freien Bereich (113) in der optischen Codierervorrichtung (100) zum Unterbringen einer bewegbaren optischem Codierungseinheit (112), die eine Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente aufweist, derart, daß die Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente der optischen Codierungseinheit (112) in der Lage ist, den optischen Pfad (108) zu beeinflussen.

2. Optische Codierervorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der der optische Emitter (103) und der optische Detektor (104) derart angeordnet sind, daß die Lichtemissionsrichtung (E) und die Lichterfassungsrichtung (D) zumindest im wesentlich antiparallel sind.

3. Optische Codierervorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, bei der das optische Element derart angeordnet ist, daß der optische Pfad (108) zumindest im wesentlichen U-förmig ist.

4. Optische Codierervorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, bei der das optische Element derart entworfen ist, daß es eine innere Totalreflexion im Inneren des optischen Elements ermöglicht.

5. Optische Codierervorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, bei der das optische Element eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die einander zugewandt sind, wobei die erste und die zweite Oberfläche als Reflexionsspiegel für Licht, das durch den optischen Emitter (103) emittiert wird, wirken und den optischen Pfad (108) zwischen dem optischen Emitter (103) und dem optischen Detektor (104) steuern.

6. Optische Codierervorrichtung gemäß Anspruch 5. bei der die erste und die zweite Oberfläche flach sind, wobei die erste Oberfläche einen ersten Winkel von zumindest im wesentlichen -45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung (E) einschließt und die zweite Oberfläche einen zweiten Winkel von zumindest im wesentlichen +45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung einschließt.

7. Optische Codierervorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner eine Linse neben dem optischen Emitter (103) zum Kollimieren von Licht, das durch den optischen Emitter (103) emittiert wird, in parallele Lichtstrahlen aufweist, bevor sich dasselbe entlang des U- förmigen optischen Pfades (108) bewegt.

8. Optische Codierervorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die erste Oberfläche eine parabolische Form aufweist und die zweite Oberfläche flach ist, bei der die zweite Oberfläche einen Winkel von zumindest im wesentlichen +45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung (E) einschließt, und bei der die erste Oberfläche in der Lage ist, Licht, das durch den optischen Emitter (103) emittiert wird, in parallele Lichtstrahlen zu kollimieren.

9. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der freie Bereich (113) zum Unterbringen der optischen Codierungseinheit (112) in dem optischen Element untergebracht ist.

10. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der freie Bereich (113) zum Unterbringen der optischen Codierungseinheit (112) zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet ist.

11. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der freie Bereich (113) zum Unterbringen der optischen Codierungseinheit (112) zwischen der zweiten Oberfläche und dem optischen Detektor (103) angeordnet ist.

12. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, bei der zumindest eine der ersten und der zweiten Oberfläche mit einem Reflexionsmaterial beschichtet ist.

13. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, bei der die erste und die zweite Oberfläche des optischen Elements als Reflexionsspiegel für Licht, das durch den optischen Emitter (103) emittiert wird, wirken.

14. Optische Codierervorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die optische Codierungseinheit (112) ein Coderad oder ein Codestreifen ist.

15. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner einen Signalprozessor zum Verarbeiten der Signale, die durch den optischen Detektor (104) erzeugt werden, auf der Basis einer Bewegung der optischen Codierungseinheit (112) aufweist, die den optischen Pfad (108) in dem freien Bereich (113) beeinflußt.

16. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der der optische Emitter und der optische Detektor nebeneinander angeordnet sind.

17. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der zumindest einer des optischen Emitters (103) und des optischen Detektors (104) durch eine Kapsel bedeckt ist.

18. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der der optische Emitter (103) und der optische Detektor (104) auf einem Substrat angeordnet sind.

19. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der der optische Emitter (103) eine lichtemittierende Diode ist.

20. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der der optische Detektor (104) ein Array von Photodioden aufweist.

21. Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der das optische Element einstückig gebildet ist.