TWI451067B - 光學編碼器 - Google Patents

Description

光學編碼器

本發明是有關於一種光學編碼器(optical encoder)，且特別是關於一種具有光學結構之光學盤之光學編碼器。

目前，為了精確地掌握馬達的轉動情況，習知技術會在馬達內部加裝光學編碼器。光學編碼器是由一個刻有特定訊息的光學盤、光源以及光感測器所構成。一般而言，光學盤上具有多個能夠讓光線通過的週期性排列開孔，當光學盤轉動時，光感測器會接收到具有特定週期性之光訊號，此時，光學編碼器便能夠根據此光訊號判斷馬達的轉速以及轉動量。

在現有的光學編碼器中，光學盤通常是金屬或是玻璃材質，且金屬光學盤是藉由電鑄方式所形成，而光學盤上的開孔通常是藉由蝕刻方式形成。雖然金屬及玻璃材質的光學盤具有良好的耐溫特性以及很長的使用壽命，但利用電鑄與蝕刻製程所形成光學盤在製造上需要較高的成本。此外，相較於金屬及玻璃材質的光學盤，光學編碼器中的光源(例如是發光二極體)具有較短的使用壽命以及較差的耐溫極限，因此，所使用的光源種類常常會侷限光學編碼器之應用範圍。

承上述，如何降低光學編碼器的製造成本並且延長光源的使用壽命，實為目前研發人員亟欲解決的問題之一。

本發明提供一種光學編碼器，其利用光學盤上的光學結構加強輸出光強度，進而提升光使用效率並降低發光二極體所需功率，達到延長光源壽命的效果。

本發明提供一種光學編碼器包括一光學盤、多個分佈於該第一表面之第一光學結構、一軸、一光源以及一感測器。光學盤具有一第一表面、一與第一表面相對之第二表面、一連接於第一表面與第二表面之間的側表面。軸設置於光學盤之中心，用以作為光學盤的旋轉軸心。光源位於側表面的一側，其中光源用以提供一朝向側表面傳遞之光線。感測器配置於光學盤的一側，用以接收從第一表面射出的光線，其中第一表面位於第二表面與感測器之間。

在本發明之一實施例中，前述之第一光學結構沿著至少一個圓形路徑排列，且各圓形路徑之圓心與光學盤之中心重合。

在本發明之一實施例中，前述之光學盤具有多個配置於側表面之第二光學結構，第二光學結構為一聚光結構，用以匯聚光線，且第二光學結構對應於第一光學結構配置。

在本發明之一實施例中，前述之光學盤具有多個位於第二表面上之第三光學結構。

在本發明之一實施例中，前述之第三光學結構為一導光結構，用以導引從側表面入射光學盤的光線，使從側表面入射光學盤的光線轉向第一表面傳遞。

在本發明之一實施例中，前述之第一光學結構具有一遮光區域與一透光區域，用以使光學盤以軸為旋轉軸心旋轉時，感測器量測到第一光學結構所引起之週期性光強度變化。

本發明另提供一種光學編碼器包括一光學盤、一軸、一光源、多個第一光學結構、多個第二光學結構以及一感測器。光學盤具有一第一表面、一與第一表面相對之第二表面以及一連接於第一表面與第二表面之間的側表面。軸設置於光學盤之中心，用以作為該光學盤的旋轉軸心。光源設置於光學盤的一側，以提供一朝向光學盤傳遞之光線。多個第一光學結構配置於光學盤上，用以接收朝向光學盤傳遞之光線，並增加光學盤的出光效率。多個第二光學結構配置於光學盤上，用以使光學盤射出的光線產生週期性的變化。感測器位於光學盤的一側，用以接收光學盤射出的光線。

在本發明之一實施例中，前述之第一光學結構為一柱體、一多角椎或一半球體之部分。

在本發明之一實施例中，前述之感測器與光源位於光學盤的同一側或相對兩側。

在本發明之一實施例中，前述之光源位於側表面的一側，其中光源用以提供一朝向側表面傳遞之光線。

在本發明之一實施例中，前述之光學編碼器更包括一反射件，其中反射件設置於光學盤相對於感測器的另一側。

在本發明之一實施例中，前述之光學盤為高分子材料。

基於上述，本發明之光學編碼器可利用光學盤上的光學結構增加光的偏折與反射率，提升導入感測器之光線，藉此提升光使用率，並降低光源出光所需亮度。也就是說，藉由提升光使用率，減少光源輸出電流，以降低溫度造成光源之損壞，並進一步提升光源之壽命。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A為本發明之第一實施例之光學編碼器的側視示意圖。圖1B為圖1A中光學盤之上視示意圖。

請參照圖1A與圖1B，本實施例之光學編碼器100包括光學盤110、軸120、光源130以及感測器140。在本實施例中，光學盤110例如為圓盤狀光學盤。此外，光學盤110之材質例如為聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)或壓克力(Polymethyl methacrylate,PMMA)或達克綸(Polyethylene terephthalate,PET)等透明高分子材料。具體而言，光學盤110具有第一表面S1、與第一表面S1相對之第二表面S2、連接於第一表面S1與第二表面S2之間的側表面S3以及多個分佈於第一表面S1之第一光學結構112。

此外，光學盤110更包括多個配置於側表面S3之第二光學結構114以及多個位於第二表面S2上之第三光學結構116。第二光學結構114對應於第一光學結構112配置。並且，上述第一光學結構112、第二光學結構114以及第三光學結構116皆為用以改變光線的傳遞方向(包含阻擋光線的前進)及/或改變光的強度。舉例而言，第一光學結構112、第二光學結構114以及第三光學結構116可用以偏折、導引及/或匯聚光線。在本實施例中，第二光學結構114是用來增加光線L1進入光學盤110中的比率，第一光學結構112是用來偏折進如光學盤110中的光線L1，而第三光學結構116是用來增加光線L2被感測器140的比率。但本發明實施例中，上述第一光學結構112、第二光學結構114以及第三光學結構116的搭配並非用以限制本發明，根據本發明實施例之揭露，技術人員應可做適當的修飾，例如：第一光學結構112是用來偏折進如光學盤110中的光線L1、第二光學結構114是用來增加光線L1進入光學盤110中的比率、第三光學結構116是導光結構用來導引進入光學盤110的光線L1轉向第一表面傳遞。

另外，第一光學結構112、第二光學結構114以及第三光學結構116的形狀可以是V型槽、微透鏡、稜鏡、圓柱、半圓形、金字塔型、平面結構及其組合，且不限制為凸出或凹陷於光學盤110之基本平面。在本實施例中，第一光學結構112例如是稜鏡(prism)，第二光學結構114例如是V型槽(v-cut groove)，而第三光學結構116例如是微透鏡(micro-lens)。

軸120設置於光學盤110之中心，其中光學盤110以軸120為旋轉軸心旋轉，換言之，軸120用以作為光學盤110的旋轉軸心。除此之外，第一光學結構112沿著至少一個圓形路徑排列，且圓形路徑之圓心與光學盤110之中心重合。在本實施例中，第一光學結構112例如是採用單通道(single channel)設計。此處，當光學盤110以軸120為旋轉軸心旋轉至少一圈時，光源130所發出的光線會依序經由排列在同一個圓形路徑上之多個第一光學結構112而被感測器140所擷取，這些排列於同一個圓形路徑上之第一光學結構112即定義為屬於同一通道。然而，單通道的實施方式並非用以限制本發明，在其他實施例中，光學編碼器亦可採多通道(multi-channel)設計。

在本實施例中，光源130例如為發光二極體。此外，光源130例如是位於側表面S3的一側。在光學編碼器的類型中，此種光源130位於光學盤110側面的配置稱為側入型光學編碼器。具體而言，光源130用以提供一朝向側表面S3傳遞之光線L1。此外，感測器140配置於光學盤110的一側(例如上方)，以接收從第一表面S1射出的光線L2，其中第一表面S1位於第二表面S2與感測器140之間，其中光線L1由側表面S3進入光學盤110，並且由光學盤110較靠近感測器140的一側射出光學盤110。

更具體而言，為了判定光學盤110轉動圈數之需求，第一光學結構112更具有遮光區域112(A1)與透光區域112(A2)。此外，遮光區域112(A1)其遮光比例大於0且小於等於100%，其透光度低於透光區域112(A2)。請參照圖1C，藉此，當光學盤110以軸120為旋轉軸心旋轉時，感測器140可量測到第一光學結構112上由遮光區域112(A1)與透光區域112(A2)所引起之週期性光強度變化。而藉由此週期性光強度變化，可進一步算出光學盤110之轉速與轉動量等，其中a為週期性之光強度變化相對大值，b為週期性之光強度變化相對小值。

除此之外，光強度峰值(例如是圖1C中相對大值a與相對小值b)與光學結構設計之形狀有關，藉由調變光學結構之形狀，可測得不同之光強度變化。具體而言，藉由調變光學結構之形狀，可最佳化感測器140所接收到之光強度。而當光強度夠高時，也就是說光線傳遞過程中光線的耗損量降低時，則可藉由降低發光二極體之輸入電流，使發光二極體的溫度大幅降低，進而提升發光二極體的壽命，或者達到減少感測器140所消耗功率之目的。

除了上述側入型單通道光學編碼器外，本發明之光學編碼器亦可為反射型單通道光學編碼器，其光學設計將搭配圖2進行描述。

圖2為本發明另一實施例之光學編碼器的側視示意圖。請參照圖2，本實施例之光學編碼器200包括光學盤210、軸(與圖1B具有相似結構以及功能，請參照圖1B)、光源230、多個第一光學結構212、多個第二光學結構214以及感測器240。在本實施例中，光學盤210之材料例如為聚碳酸酯、壓克力或PET等透明高分子材料。具體而言，光學盤210具有第一表面S1’、與第一表面S1’相對之第二表面S2’以及連接於第一表面S1’與第二表面S2’之間的側表面S3’。

在本實施例中，多個第一光學結構212配置於光學盤210上的第一表面S1’，用以接收朝向光學盤210傳遞之光L1’，並增加光學盤210的出光效率。具體而言，第一光學結構212例如為半球體。然而，在其他實施例中，第一光學結構212亦可為柱體。除此之外，此處所指的半球體係指其幾何結構為球體的一部份，且本申請案不限定前述之半球體的體積必須為球體體積的一半(50%)。

在本實施例中，多個第二光學結構214配置於光學盤210上，並位於第一光學結構212的一側。此外，第二光學結構214之形狀可以是V型槽、微透鏡、角柱、圓柱、半圓形、金字塔型及其組合，且不限制為凸出或凹陷於光學盤210之基本平面。具體而言，第二光學結構214主要用以使光學盤210射出的光線產生週期性的變化(其效果例如是圖1C所示，故不再贅述)。

在本實施例中，第二光學結構214與第一光學結構212雖以不同形狀繪示於圖2，然而，在實際運用上，第二光學結構214與第一光學結構212亦可為相似或一樣的結構。

在本實施例中，光源230設置於光學盤210的一側(例如上方)，用以提供一朝向光學盤210傳遞之光線L1’，其中第一表面S1’位於第二表面S2’與光源230之間。此外，感測器240位於光學盤210與光源230的同側，用以接收光學盤210射出的光線L2’。

此外，在本實施例中，光學盤210更包括一反射件250，此反射件250例如是由聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)、高分子膜或金屬等材料所形成。具體而言，反射件250之反射率例如是大於85%。此外，反射件250設置於光學盤210之第二表面S2’上，例如是以高分子黏性物質或是其他承靠機構所組合，但本發明不以此為限。在光學編碼器的類型中，具有反射件250且光源230配置於光學盤210的同側等特性者，稱為反射型光學編碼器。

除此之外，當光源230所發出的光線L1’傳遞至第一表面S1’，第一表面S1’上之第一光學結構212將光線L1’導入光學盤210，並使光線L1’朝向第二表面S2’傳遞。此時，位於第二表面S2’之反射件250適於將光線L1’反射，並使光線L1’朝向第一表面S1’傳遞。接著，位於第一表面S1’上之第二光學結構214可有效地將光線L2’導出光學盤210，以增加光線L2’被感測器240擷取的比例。此外，位於第一表面S1’上之第二光學結構214能夠使感測器240擷取到週期性變化的光強度，藉以判定光學盤210轉速與轉動量。

另外，除了上述側入型以及反射型單通道光學編碼器外，本發明之光學編碼器亦可為穿透型單通道光學編碼器，其光學設計將搭配圖3進行描述。

圖3為本發明又一實施例之光學編碼器的側視示意圖。請參照圖3，在本實施例中，光學編碼器300與圖2中之光學編碼器200類似，惟二者主要差異之處在於：本實施例之光學編碼器300中，感測器340位於光學盤310與光源330的相對兩側，且第二光學結構314位於第二表面S2’上。另外，光學盤310無須具有反射件250。在光學編碼器的類型中，此種光源330與光學盤310位於相對兩側的配置，稱為穿透型光學編碼器。

詳言之，當光源330所發出的光線L1’傳遞至第一表面S1’，第一表面S1’上之第一光學結構312將光線L1’導入光學盤310，並使光線L1’朝向第二表面S2’傳遞。此時，位於第二表面S2’之第二光學結構314可有效地將光線L2’導出光學盤310，以增加光線L2’被感測器340擷取的比例。另外，位於第二表面S2’上之第二光學結構314能夠使感測器340擷取到週期性變化的光強度，藉以判定光學盤210轉速與轉動量。

除了上述之側入型、反射型以及穿透型單通道光學編碼器外，本申請案之光學編碼器亦可為側入型、反射型以及穿透型之多通道光學編碼器，其詳細內容將搭配圖4A、圖4B與圖4C進行描述。

圖4A為本發明再一實施例之光學編碼器的側視示意圖。請參照圖4A，本實施例之光學編碼器400與圖1A中之光學編碼器100類似，惟二者主要差異之處在於：感測器440之數量為多個，而第一光學結構412區分為3群412a、412b、412c，且此3群第一光學結構412a、412b、412c分別沿著3個圓形路徑排列(3通道設計)。此外，第三光學結構416亦對應於前述3群第一光學結構412a、412b、412c分佈，且區分為3群416a、416b、416c。除此之外，本申請案不限定第一光學結構412的群數、第三光學結構416之群數以及感測器440之數量，此領域具有通常知識者依照本發明所揭露之實施例的敎示，可視設計需求而改變第一光學結構412的群數、第三光學結構416之群數以及感測器440之數量。

相較於單通道光學編碼器(圖1~圖3)，本實施例之多通道光學編碼器400能夠精確地判定出絕對位置。當所採用的通道數越多時，光學盤410便可更精確地判斷出絕對位置。

請參照圖4B與圖4C，不同群的第一光學結構412a、412b以及412c之遮光區域412a(A1)、412b(A1)以及412c(A1)與透光區域412a(A2)、412b(A2)以及412c(A2)可有三種週期性排列方式，以使光線L2a、L2b、L2c分別呈現出3種不同週期性之光強度變化(如圖4C所示)，其中440a(a)、440b(a)、440c(a)為週期性之光強度變化相對大值，440a(b)、440b(b)、440c(b)為週期性之光強度變化相對小值。

圖5A至圖5F為出光效率增強結構實施例示意圖。請參照圖5A至圖5F，圖5A至圖5F中的各種光學結構，可用以接收光源130、光源230、光源330與光源430等所提供的出射光，並使得出射光在通過上述光學結構後，可進而提高射出光線的出光效率。

為清楚說明上述利用光學結構提高射出光線的出光效率，以下將搭配圖6與圖7加以說明。圖6為出光效率增強結構在不同射出角度的出光效率關係圖，圖7為出光效率量測方法示意圖。參照圖7，當入射光L1由入射角α為0度(亦即垂直入射)射入出光效率增強結構710後，通過出光效率增強結構710與光學盤720後，在光學盤720相對於出光效率增強結構710的另一側的各個射出角β量測射出光線L2的強度，其中出光效率定義為：

出光效率=射出光L2強度/入射光L1強度。

請參照圖6，其中610為圖5A光效率增強結構的出光效率曲線，而620為圖5C光效率增強結構的出光效率曲線，可以發現在若在適當的角度設置感測器，其出光效率可以達到百分之七十以上。

上述具有多通道設計之光學盤除了可以應用在側入型光學編碼器中，亦可應用在反射型光學編碼器以及穿透型光學編碼器中。

綜上所述，本申請案以透明高分子材料形成光學盤，可降低光學盤之製程成本，且在技術上較電鑄與蝕刻製程容易達成。此外，光學盤上的光學結構可將發光二極體所輸出之光線更有效地被引導至感測器，由於光源的光利用率被提升，因此光源有機會再更低的操作溫度下工作，其使用壽命將可被進一步提升。此外，本發明實施例揭露側入型光學編碼器，由於光源設置於光學盤的側面，因此能夠縮小編碼器的厚度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400．．．光學編碼器

110、210、310、410、720．．．光學盤

710．．．出光效率增強結構

112、212、312、412、412a、412b、412c．．．第一光學結構

114、214、314．．．第二光學結構

116、416、416a、416b、416c．．．第三光學結構

120、420．．．軸

130、230、330、430．．．光源

140、240、340、440、440a、140b、440c．．．感測器

250．．．反射件

112(A1)、412a(A1)、412b(A1)、412c(A1)．．．遮光區域

112(A2)、412a(A2)、412b(A2)、412c(A2)．．．透光區域

a、440a(a)、440b(a)、440c(a)．．．相對大值

b、440a(b)、440b(b)、440c(b)．．．相對小值

S1、S1’．．．第一表面

S2、S2’．．．第二表面

S3、S3’．．．側表面

L1、L2、L1’、L2’、L2a、L2b、L2c．．．光線

α、β．．．角度

圖1A為本發明之第一實施例之光學編碼器的側視示意圖。

圖1B為圖1A中光學盤之上視示意圖。

圖1C為圖1A中感測器所量測到之週期性光強度變化示意圖。

圖2為本發明另一實施例之光學編碼器的側視示意圖。

圖3為本發明又一實施例之光學編碼器的側視示意圖。

圖4A為本發明再一實施例之光學編碼器的側視示意圖。

圖4B為圖4A中光學盤之上視示意圖。

圖4C為圖4A中感測器所量測到之週期性光強度變化示意圖。

圖5A至圖5F為出光效率增強結構實施例示意圖。

圖6為出光效率增強結構在不同射出角度的出光效率關係圖。

圖7為出光效率量測方法示意圖。

100．．．光學編碼器

110．．．光學盤

130．．．光源

140．．．感測器

112．．．第一光學結構

114．．．第二光學結構

116．．．第三光學結構

S1．．．第一表面

S2．．．第二表面

S3．．．側表面

L1、L2．．．光線

Claims (10)

1. 一種光學編碼器，包括：一光學盤，具有一第一表面、一與該第一表面相對之第二表面、一連接於該第一表面與該第二表面之間的側表面；多個分佈於該第一表面之第一光學結構，其中該光學盤具有多個配置於該側表面之第二光學結構，該第二光學結構為一聚光結構，用以匯聚光線，且該些第二光學結構對應於該些第一光學結構配置；一軸，設置於該光學盤之中心，用以作為該光學盤的旋轉軸心；一光源，位於該側表面的一側，其中該光源用以提供一朝向該側表面傳遞之光線；以及一感測器，配置於該光學盤的一側，用以接收從該第一表面射出的光線，其中該第一表面位於該第二表面與該感測器之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學編碼器，其中該些第一光學結構沿著至少一個圓形路徑排列，且各該圓形路徑之圓心與該光學盤之中心重合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學編碼器，其中該光學盤具有多個位於該第二表面上之第三光學結構。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學編碼器，其中該些第三光學結構為一導光結構，用以導引從該側表面入射該光學盤的光線，使從該側表面入射該光學盤的光線轉向第一表面傳遞。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學編碼器，其中該第一光學結構具有一遮光區域與一透光區域，用以使該光學盤以該軸為旋轉軸心旋轉時，該感測器量測到該第一光學結構所引起之週期性光強度變化。
6. 一種光學編碼器，包括：一光學盤，具有一第一表面、一與該第一表面相對之第二表面以及一連接於該第一表面與該第二表面之間的側表面；一軸，設置於該光學盤之中心，用以作為該光學盤的旋轉軸心；一光源，設置於該光學盤的一側，以提供一朝向該光學盤傳遞之光線；多個第一光學結構，配置於該光學盤上，用以接收該朝向該光學盤傳遞之光線，並增加該光學盤的出光效率；多個第二光學結構，配置於該光學盤上，用以使該光學盤射出的光線產生週期性的變化；以及一感測器，位於該光學盤的一側，用以接收該光學盤射出的光線，其中該些第一光學結構以及該些第二光學結構位於該第一表面以及該第二表面的其中至少一者上，且該光源所發出之該光線穿過其中一該第一光學結構且穿過其中一該第二光學結構之後被該感測器擷取。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學編碼器，該第一光學結構為一柱體、一多角椎或一半球體之部分。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光學編碼器，其中該感測器與該光源位於該光學盤的同一側或相對兩側。
9. 如申請專利範圍第6項所述之光學編碼器，而該光源位於該側表面的一側，其中該光源用以提供一朝向該側表面傳遞之光線。
10. 如申請專利範圍第6項所述之光學編碼器，更包括一反射件，其中該反射件設置於該光學盤相對於該感測器的另一側。