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光学反射编码器系统、装置和方法

阅读：1040发布：2020-07-08

IPRDB可以提供光学反射编码器系统、装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请提供了光学反射编码器系统、装置和方法。公开了高速、高性能、低噪声光学编码器，其具有各种机制防止不期望的杂散光到达其中的光探测器。在光学编码器中用来阻挡杂散光的结构包括布置在编码器的结构的第一侧与第二侧之间的光屏障、空气隙槽以及涂层。还公开了具有布置在其上的单穹顶透镜的紧凑单码道光学编码器以及双码道三穹顶透镜光学编码器。也公开了制作这种光学编码器的方法。，下面是光学反射编码器系统、装置和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种单穹顶反射光学编码器，包括：

衬底，其具有上表面，所述上表面具有相对的第一侧和第二侧；

光发射器，其安装或连接到所述第一侧，并且构造为从所述光发射器发射光；

单码道光探测器，其安装或连接到所述第二侧，所述单码道光探测器包括至少一个数据通道光探测器并包括索引通道光探测器，所述数据通道和所述索引通道沿着公共轴线布置；以及单穹顶透镜，其包括光学透明的材料，所述单穹顶透镜形成在所述光发射器和所述单码道光探测器上方并与其直接接触，使得没有空气隙存在于所述光发射器与所述穹顶之间或者所述光探测器与所述穹顶之间；

其中，所述单穹顶透镜构造为允许从所述光源发射的光折射通过其一部分以从码尺反射，所述码尺包括索引带和数据带并构造为沿着所述公共轴线移动，所述码尺相对于所述单穹顶透镜定位成使得从所述码尺反射的光的至少一部分被引导向所述单穹顶透镜并且折射通过所述单穹顶透镜的一部分，以由所述光探测器进行探测。

2.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，还包括光学不透明的光屏障，其布置在所述光发射器和所述第一侧与所述单码道光探测器和所述第二侧之间，所述光屏障构造为防止或抑制杂散光照射所述单码道光探测器。

3.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，还包括空气隙槽，其布置在所述光发射器和所述第一侧与所述单码道光探测器和所述第二侧之间，所述空气隙槽构造为防止或抑制杂散光照射所述单码道光探测器。

4.根据权利要求3所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述空气隙槽的外表面涂有涂层或经过处理，以防止或抑制杂散光照射所述单码道光探测器。

5.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述单穹顶透镜的外表面涂有涂层或经过处理，以防止或抑制由所述光发射器发射的杂散光照射所述单码道光探测器。

6.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述单穹顶透镜还包括围绕其周边布置的斜面或保护性突起部中的至少一者。

7.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述至少一个数据通道光探测器和所述索引通道光探测器布置在单一管芯上。

8.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述单穹顶透镜包括球面的、非球面的以及双锥形的外透镜表面中的至少一者。

9.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述单穹顶透镜包括环氧树脂。

10.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述数据通道光探测器还包括至少两个分别对应于A和B数据通道的光探测器。

11.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述数据通道光探测器还包括至少四个分别对应于A、B、A\和B\数据通道的光探测器。

12.根据权利要求1所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述衬底为印刷电路板或导线框，包括塑料或由聚合物形成。

13.一种制作单穹顶透镜反射光学编码器的方法，包括：

提供具有上表面的衬底，所述上表面具有相对的第一侧和第二侧；

将光发射器连接到所述第一侧，所述光发射器构造为从所述光发射器发射光；

将单码道光探测器连接到所述第二侧，所述单码道光探测器包括至少一个数据通道光探测器并包括索引通道光探测器，所述数据通道和所述索引通道沿着公共轴线布置；

在所述光发射器和所述第一侧与所述单码道光探测器和所述第二侧之间将光学不透明的光屏障连接到所述衬底上，所述光屏障构造为防止或抑制杂散光照射所述单码道光探测器，以及形成包括光学透明材料的单穹顶透镜，所述单穹顶透镜形成在所述光发射器和所述单码道光探测器上方并与其直接接触，使得没有空气隙存在于所述光发射器与所述穹顶之间或者所述光探测器与所述穹顶之间；

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光屏障是由传递模塑和夹物模压中的一种所形成的。

15.一种三穹顶反射光学编码器，包括：

衬底，其具有上表面，所述上表面具有相对的第一侧和第二侧以及相对的第三侧和第四侧，所述第一侧和所述第二侧由布置在其之间的第一轴线所划分，所述第三侧和第四侧由布置在其之间的第二轴线所划分，所述第一轴线与所述第二轴线基本垂直；

光发射器，其安装或连接到所述第一侧并且构造为从所述光发射器发射光，所述光发射器由形成在其之上并且与其直接接触的第一穹顶透镜所覆盖，使得没有空气隙位于所述光发射器与所述第一穹顶透镜之间；

索引通道探测器，其安装或连接到由所述第二侧和所述第三侧的第一重叠区域所限定的第一区域，所述索引通道探测器由形成在其之上并且与其直接接触的第二穹顶透镜所覆盖，使得没有空气隙位于所述索引通道探测器与所述第二穹顶透镜之间；

至少一个数据通道探测器，其安装或连接到由所述第二侧和所述第四侧的第二重叠区域所限定的第二区域，所述数据通道探测器由形成在其之上并且与其直接接触的第三穹顶透镜所覆盖，使得没有空气隙位于所述数据通道探测器与所述第三穹顶透镜之间；

其中，所述第一穹顶透镜构造为允许从所述光源发射的光折射通过其一部分，以从包括数据带的第一码尺反射以及从第二索引尺反射，所述第一码尺和所述第二索引尺构造为分别沿着彼此平行但不同的第三和第四轴线移动，所述索引尺相对于所述第一穹顶透镜和所述第二穹顶透镜定位成使得由所述索引尺反射的光的至少一部分被引导向所述第二穹顶透镜并且折射通过所述第二穹顶透镜的一部分，以由所述索引通道探测器进行探测，所述码尺相对于所述第一穹顶透镜和所述第三穹顶透镜定位成使得由所述码尺反射的光的至少一部分被引导向所述第三穹顶透镜并且折射通过所述第三穹顶透镜的一部分，以由所述数据通道探测器进行探测。

16.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，还包括光学不透明的光屏障，其布置在所述光发射器和所述第一侧与在所述第二侧的所述第二和第三穹顶透镜之间，所述光屏障构造为防止或抑制杂散光照射所述索引通道探测器或所述数据通道探测器。

17.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，还包括空气隙槽，其布置在所述光发射器和所述第一侧与在所述第二侧的所述第二和第三穹顶透镜之间，所述空气隙槽构造为防止或抑制杂散光照射所述索引通道探测器或所述数据通道探测器。

18.根据权利要求17所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述空气隙槽的外表面涂有涂层或经过处理，以防止或抑制杂散光照射所述索引通道探测器或所述数据通道探测器。

19.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，在所述第一侧与所述第二侧之间延伸的材料的一部分涂有涂层或经过处理，以防止或抑制杂散光照射所述索引通道探测器或所述数据通道探测器。

20.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述第一、第二和第三穹顶透镜中的至少一者还包括围绕其周边布置的斜面或保护性突起部中的至少一者。

21.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述至少一个数据通道光探测器和所述索引通道光探测器布置在单一管芯上。

22.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述三穹顶透镜包括球面的、非球面的以及双锥形的外透镜表面中的至少一者。

23.根据权利要求15所述的单穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述三穹顶透镜包括环氧树脂。

24.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述数据通道光探测器还包括至少两个分别对应于A和B数据通道的光探测器。

25.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述数据通道光探测器还包括至少四个分别对应于A、B、A\和B\数据通道的光探测器。

26.根据权利要求15所述的三穹顶透镜反射光学编码器，其中，所述衬底为印刷电路板或导线框，包括塑料或由聚合物形成。

说明书全文

光学反射编码器系统、装置和方法

技术领域

[0001] 这里所描述的本发明的各种实施例涉及光学编码器领域，以及与其相关的组件、装置、系统和方法。

背景技术

[0002] 光学编码器通常在诸如电动机控制系统中的闭环反馈控制的应用中用作运动探测器。许多光学编码器被构造为将旋转运动或者线性运动转化为双通道数字输出，以用于位置编码。

[0003] 许多光学编码器使用LED作为光源。在透射编码器中，通过位于LED上方的透镜等机构将光准直为平行光束。与发射器相对的是通常由光电二极管阵列构成的光探测器和信号处理器。当码尺(诸如码盘或码带)在光发射器和光探测器之间移动时，光束由码尺上的条和间隔组成的图案中断。类似地，在反射或成像编码器中，LED上方的透镜将光聚焦到码尺上。光被反射回或者不被反射回布置在光探测器上方的透镜中。随着码尺移动，与条和间隔相对应的明图案和暗图案的交替图案落到光电二极管上。光电二极管探测这些图案并且由信号处理器处理相应的输出以产生数字波形。举例来说，这种编码器输出被用于提供关于电动机的位置、速度和加速度的信息。

[0004] 透射光学编码器通常产生具有良好的对比度的码尺图像，并因此能够以高分辨率工作在高速度下。大部分透射光学编码器的高对比度特性也允许由其提供的输出能够被轻易地插值到更高的分辨率。透射光学编码器通常需要光发射器与光探测器相对地布置，并且由此就封装设计来说需要相对高的轮廓。

[0005] 在反射光学编码器中，光发射器和光探测器通常可以被安置在相同的衬底上，并由此可以实现低的轮廓设计、更少的材料和更短的装配时间。反射光学编码器通常遭受低对比度的困扰，这接着导致低的速度和低的分辨率。

[0006] 成像光学编码器以反射光学编码器的许多相同的优点为特征(诸如低的轮廓和成本)，但是还需要漫反射式的码盘。此外，成像光学编码器遭受低漫反射的困扰，并且通常不能工作在非常高的速度下。

[0007] 在本领域中公知的反射光学编码器通常遭受各种性能和应用问题的困扰，诸如在光发射器处产生的杂散光直接照射光探测器，这可能造成对比度劣化、降低编码性能并限制对比度。公知的反射光学编码器也通常包括一个封装的穹顶，发射器-编码器对布置在该穹顶中，该穹顶通常导致差的光准直并由此限制编码性能和分辨率。公知的反射编码器也通常以受到限制的编码能力(诸如最多两个数据编码通道或者一个索引通道)为特征。

[0008] 包括直接或间接地涉及本发明的技术领域的主题的各种专利包括但不限于以下几个：

[0009] 1984年5月29日，Leonard等人的美国专利No.4,451,731；

[0010] 2008年6月10日，Foo等人的美国专利No.7,182,248；

[0011] 2008年11月11日，Ng等人的美国专利No.7,385,178；

[0012] 2008年7月15日，Wong等人的美国专利No.7,400,269；

[0013] 2008年7月1日，Saidan等人的美国专利No.7,394,061；

[0014] 2006年10月26日，Saxena等人的美国专利公开No.2006/0237540；以及[0015] 2008年1月21日，Otsuka等人的美国专利公开No.2008/0024797。

[0016] 上述出版物的日期可能对应于优先权日期、申请日、公开日和授权日中的任意一个。在背景技术部分中列举的上述专利和专利申请并不是(也不能被理解为)申请人或其代理人承认上述列表中的一个或多个出版物构成关于申请人的各种发明的现有技术。这里所引用的所有的印刷出版物和专利都通过引用将其每一个的全部内容结合在这里。

[0017] 在阅读和理解发明内容、具体实施例和权利要求之后，本领域的技术人员可以认识到可以根据本发明的各种实施例的教导有利地修改这里所列的印刷出版物中所公开的系统、装置、组件和方法中的至少一部分。

发明内容

[0018] 在一些实施例中，提供了一种单穹顶反射光学编码器，包括：衬底，其具有上表面，上表面具有相对的第一侧和第二侧；光发射器，其安装或连接到第一侧并且构造为从光发射器发射光；单码道光探测器，其安装或连接到第二侧，单码道光探测器包括至少一个数据通道光探测器并包括索引通道光探测器，数据通道和索引通道沿着公共轴线布置；单穹顶透镜，其包括光学透明的材料，单穹顶透镜形成在光发射器和单码道光探测器上方并与其直接接触，使得没有空气隙存在于光发射器与穹顶之间或者光探测器与穹顶之间。该单穹顶透镜构造为允许从光源发射的光折射通过其一部分以从包括索引带和数据带的码尺反射，索引带和数据带构造为沿着公共轴线移动。码尺相对于单穹顶透镜可操作地定位，使得从码尺反射的光的至少一部分被引导向单穹顶透镜并且折射通过单穹顶透镜的一部分，以由光探测器进行探测。

[0019] 在其他实施例中，提供了一种制作单穹顶透镜反射光学编码器的方法，包括：提供具有上表面的衬底，上表面具有相对的第一侧和第二侧；将光发射器连接到第一侧，光发射器构造为从光发射器发射光；将单码道光探测器连接到第二侧，单码道光探测器包括至少一个数据通道光探测器并包括索引通道光探测器，数据通道和索引通道沿着公共轴线布置；在光发射器和第一侧与单码道光探测器和第二侧之间将光学不透明的光屏障连接到衬底上，光屏障构造为防止或抑制杂散光照射单码道光探测器，形成包括光学透明材料的单穹顶透镜，单穹顶透镜形成在光发射器和单码道光探测器上方并与其直接接触，使得没有空气隙存在于光发射器与穹顶之间或者光探测器与穹顶之间。单穹顶透镜构造为允许从光源发射的光折射通过其一部分以从包括索引带和数据带的码尺反射，索引带和数据带构造为沿着公共轴线移动，码尺相对于单穹顶透镜可操作地定位，使得从码尺反射的光的至少一部分被引导向单穹顶透镜并且折射通过单穹顶透镜的一部分，以由光探测器进行探测。

[0020] 在另一个实施例中，提供了一种三穹顶反射光学编码器，包括：衬底，其具有上表面，上表面具有相对的第一侧和第二侧以及相对的第三侧和第四侧，第一侧和第二侧由布置在其之间的第一轴线所限定，第三侧和第四侧由布置在其之间的第二轴线所限定，第一轴线与第二轴线基本垂直；光发射器，其安装或连接到第一侧并且构造为从光发射器发射光，光发射器由形成在其之上并且与其直接接触的第一穹顶透镜所覆盖，使得没有空气隙位于光发射器与第一穹顶透镜之间；索引通道探测器，其安装或连接到由第二侧和第三侧的第一重叠区域所限定的第一区域，索引通道探测器由形成在其之上并且与其直接接触的第二穹顶透镜所覆盖，使得没有空气隙位于索引通道探测器与第二穹顶透镜之间；至少一个数据通道探测器，其安装或连接到由第二侧和第四侧的第二重叠区域所限定的第二区域，数据通道探测器由形成在其之上并且与其直接接触的第三穹顶透镜所覆盖，使得没有空气隙位于数据通道探测器与第三穹顶透镜之间。第一穹顶透镜构造为允许从光源发射的光折射通过其一部分，以从包括数据带的第一码尺反射以及从第二索引尺反射，第一码尺和第二索引尺构造为分别沿着彼此平行但不同的第三和第四轴线移动，索引尺相对于第一穹顶透镜和第二穹顶透镜可操作地定位，使得由索引尺反射的光的至少一部分被引导向第二穹顶透镜并且折射通过第二穹顶透镜的一部分，以由索引通道探测器进行探测，码尺相对于第一穹顶透镜和第三穹顶透镜可操作地定位，使得由码尺反射的光的至少一部分被引导向第三穹顶透镜并且折射通过第三穹顶透镜的一部分，以由数据通道探测器进行探测。

[0021] 在阅读和理解说明书以及附图之后，本领域的技术人员将会对这里公开的实施例更加明白。

附图说明

[0022] 通过以下说明、附图和权利要求可以使本发明的各种实施例的不同方面变得清楚，其中：

[0023] 图1示出了本发明的单穹顶透镜光学编码器的一个实施例的俯视图和截面图；

[0024] 图2示出了由图1的实施例所提供的示意性输出信号；

[0025] 图3示出了本发明的单穹顶透镜光学编码器的另一个实施例的俯视图和截面图；

[0026] 图4示出了本发明的单穹顶透镜光学编码器的另一个实施例的俯视图和截面图；

[0027] 图5a示出了本发明的单穹顶透镜光学编码器的另一个实施例的俯视图和截面图；

[0028] 图5b到图5d示出了本发明的单穹顶透镜光学编码器的各种实施例的截面图；

[0029] 图6a示出了本发明的三穹顶透镜光学编码器的一个实施例的俯视图和截面图；

[0030] 图6b到图6e示出了本发明的三穹顶透镜光学编码器的各种实施例的截面图；

[0031] 图7a示出了本发明的三穹顶透镜光学编码器的另一个实施例的俯视图；以及[0032] 图7b到图7d示出了本发明的三穹顶透镜光学编码器的其他各种实施例的截面图。

[0033] 附图不一定是按比例的。除非另有说明，附图中相同的附图标记表示相同的部分或步骤。

具体实施方式

[0034] 在本发明的各种实施例中，提供了单个或三个穹顶的单码道(track)或双码道的光学反射编码器系统。

[0035] 图1示出了本发明的单穹顶透镜光学编码器10的一个实施例的俯视图和截面图。衬底40具有上表面41，其具有相对的第一侧56和第二侧58。光发射器管芯42包括光发射器44(其被构造为从其发射光)，并且位于衬底40的第一侧56上。单码道光探测器48安装或连接到衬底40的第二侧58上，并且包括至少一个数据通道光探测器24以及索引通道光探测器20。

[0036] 如这里所采用的，术语“单码道编码器”意思是光学编码器具有单一的码尺，该码尺具有形成或存在于其上或其中的数据图案(或数据条)或码图案(或码条)以及形成或存在于其上或其中的索引图案或索引条，其中数据图案和索引图案在单码道中沿着公共的单轴线一同延伸，该单码道布置在包括数据通道和索引通道光探测器的相应的单码道上方。

[0037] 在衬底40的顶表面41上，第一侧56与第二侧58相对，使得由光发射器42/44发射的光主要从第一侧56向上朝向码尺30传播，以从码尺30向下朝向第二侧58反射，以由光探测器46/48进行探测。如图1所示，在优选实施例中，单穹顶透镜50包括弯曲的外透镜表面54，其被成型和构造为将离开光发射器42/44的光线43和47引导向码和索引尺(code andindex scale)30，然后返回光探测器46/48。注意，如这里所采用的，术语“码尺”或“码和索引尺”可以表示码盘、码带、码和索引盘、或码和索引带。数据通道光探测器24和索引通道光探测器20沿着公共轴27布置，该公共轴27与可操作地布置在其之上的码和索引尺30的移动方向相一致。

[0038] 继续参照图1，单穹顶透镜50包括光学透明材料，其在优选的实施例中为适于模压的环氧树脂。单穹顶透镜50形成在光发射器42/44和单码道光探测器48上方并与其形成直接接触，使得没有空气隙位于光发射器42/44与穹顶50之间或者光探测器48和穹顶50之间。单穹顶透镜50被构造为允许由光源发射的光43折射通过其部分，以从包括索引带31和数据带33的码和索引尺30反射，其中码和索引尺30被构造为沿着公共轴27移动。码和索引尺30相对于单穹顶透镜50可操作地定位，使得至少从码和索引尺30反射的光47的一部分被向下引导向单穹顶透镜50，并且折射通过其部分，以由光探测器46/48进行探测。注意，单穹顶透镜50的上表面或外表面54可以在发射器42/44和探测器46/48中一者或两者的上方具有球面的、非球面的或者双锥形轮廓。

[0039] 如图1中进一步地示出的，光探测器48可以包括其上形成索引通道和数据通道光探测器的单一管芯46，或者可以包括分别用于索引通道光探测器和数据通道光探测器的独立的管芯。形成在索引带31和数据带33的下侧的反射表面32被构造为允许向上投射的光线43从其反射，以形成向下投射的光束47。

[0040] 光学斜面或肩部52可以围绕单穹顶透镜50的外周边形成。可选择地，单穹顶透镜50的外周边可以被构造为从单穹顶透镜50的最高部分向上突起，以形成保护性突起部来在其周围提供保护环或肩部。

[0041] 继续参照图1，如本领域中所共知的，数据通道光探测器24可以包括一个光探测器，对应于A和A\数据通道的至少两个光探测器，对应于A、B、A\和B\数据通道的至少四个光探测器，或者适合于实际的具体应用的任何其他数目的光探测器。在图1中图示的实施例中，四个单独的光探测器形成数据通道光探测器24。举例来说，衬底40可以为印刷电路板、引线框，可以包括塑料或者由适当的聚合物制成。

[0042] 图2图示了由图1中图示的光学编码器的实施例所提供的示例性输出信号。如图2所示，索引通道提供输出信号21，其中输出信号21比输出脉冲23a和23b的持续时间优选为更短，输出脉冲23a和23b由A和B数据通道提供。

[0043] 图3图示了单穹顶反射光学编码器10的另一个实施例的俯视图和截面图，其中，单透镜穹顶50的外表面54的一部分74被涂上涂层或者进行处理，以防止或抑制杂散光线照射到单码道光探测器46/48。举例来说，杂散或不期望的光线包括在单穹顶透镜50内内反射的光线、在单穹顶透镜50内散射或漫射的光线、由码尺30或光编码器10的任何其他部分或者另外的装置或组件反射或散射或漫射的意外的(out-of-line)光线。可以通过例如激光切割、机械打磨的方式，或者通过将适当的光学吸收性或漫射性的涂层或材料布置在透镜50的外表面上来形成透镜50的部分74。可以想到并采用本领域的技术人员所公知的其他方式，以在透镜50的上方形成光学漫射性或吸收性的部分来遮蔽光探测器46/48使其不受到散射的、意外的或者其他不期望的光线的影响。

[0044] 图4图示了单穹顶反射光学编码器10的另一个实施例的俯视图和截面图，其包括布置在一侧的光发射器42/44和第一侧56与另一侧的单码道光探测器46/48和第二侧58之间的光学不透明的屏障70。光屏障70构造为防止或抑制杂散光线照射单码道光探测器46/48。图4中图示的实施例允许相对于现有技术的装置来改善光学编码器10的性能。通常，光学编码器的性能受到从光发射器42/44产生的杂散光的影响，该杂散光直接传播到探测器46/48或者在透镜50内或由其他装置或组件内反射、散射或者漫射并随后照射到探测器。光屏障70防止在光发射器42/44与光探测器46/48之间发生不期望的串扰。这种串扰的主要来源是从由透镜50的上表面所限定的内表面反射回到探测器46/48的光。杂散光减少了编码器的图像对比度，并且限制了可能获得的速度或频率。高性能光学编码器能够实现高水平的图像对比度和分辨率。通过将光屏障70插入光编码器10之中，可以提供更高性能的光学编码器。光学屏障70很大程度阻挡了不期望的杂散光照射到光探测器
46/48上。因此，使光编码器10的噪声水平最小化。

[0045] 继续参照图4，根据一种实施例，还提供了制造单穹顶透镜反射光学编码器10的方法。提供或形成具有上表面41的衬底40，该衬底40具有相对的第一侧56和第二侧58。光发射器42/44连接到衬底40的上表面41的第一侧56，单码道光探测器46/48连接到上表面41的第二侧58，使得数据和索引通道探测器20和24沿着公共轴线27布置。光学不透明的光屏障70形成在一侧的光发射器42/44和第一侧56与另一侧的单码道光探测器
46/48和第二侧58之间。

[0046] 单穹顶透镜50形成在光发射器42/44、光屏障70以及光探测器46/48上方。单穹顶透镜50包括布置在光发射器42/44和单码道光探测器46/48上方并与其直接接触的光学透明材料，使得没有空气隙位于光发射器42/44与穹顶50之间以及光探测器46/48与穹顶50之间。单穹顶透镜50构造为允许来自光源42/44的光折射通过其一部分，以从码尺30反射，被构造为沿着公共轴27移动的码尺30包括索引带31和数据带33。

[0047] 在一个方法中，通过传递模塑法或夹物模压法来形成光屏障70。在传递模塑法中，光屏障70被传递模塑到衬底40上，衬底40可以为印刷电路板、引线框等。光屏障70优选地由光学不透明的、光学吸收性的、光学漫射性的或光学散射性的材料制成，以阻挡多余的光或使其改变方向。在将光屏障70传递模塑到衬底40上之后，进行管芯连接和引线键合步骤。最终，已经有光屏障70和管芯42和46连接到其之上并且布置到其之上的经装配的衬底被安置在铸模工具中，并且在该衬底上方形成单穹顶透镜50(优选地也使用传递模塑工艺)。

[0048] 在另一个方法中，光屏障70是使用高温塑料对其进行夹物模压所形成的，并且光屏障70被人工地安置到衬底40上。在这种传递模塑光屏障70的方法的变化中，在传递模塑单穹顶透镜50之前，根据具体模塑工具和所采用的衬底设计，将多孔塑料的模制光屏障人工地安置在传递模塑工具中或者直接安置在衬底40上。为了提供增加的精确度和控制，光屏障70可以被直接地夹物模压到衬底40上。但是，在采取传递模塑步骤之前，将管芯42和46连接到衬底40上并且执行引线键合。之后，根据具体的模塑工具以及所采用的工艺设计，将光屏障70连接到衬底40上或者插入到模塑工具中。之后，优选地执行传递模塑以形成单穹顶透镜50并将管芯42和46以及光屏障70封装起来。

[0049] 图5a图示了单穹顶透镜反射光学编码器10的另一个实施例的俯视图和截面图。单穹顶透镜反射光学编码器10包括空气隙槽72，其布置在一侧的光发射器42/44和第一侧56与另一侧的单码道光探测器46/48和第二侧58之间。空气隙槽72构造为防止或抑制由光发射器42/44发射的直射光线直接照射到单码道光探测器46/48上。图5b图示了具有空气隙槽72的单穹顶透镜光学编码器10的替换实施例的截面图。

[0050] 图5c和图5d图示了具有布置在单穹顶透镜50中的空气隙槽72的单穹顶透镜光学编码器10的另一个实施例的截面图。在图5c和5d的实施例中，部分74布置在空气隙槽72的外表面上，其被涂有涂层或进行处理以防止或抑制杂散光撞击到单码道光探测器46/48上。可以通过例如激光切割、机械打磨的方式，或者通过将适当的光学吸收性、漫射性或散射性的涂层或材料布置在透镜50的外表面上来形成透镜50的部分74。可以想到并采用本领域的技术人员所公知的其他方式，以在空气隙槽72的外表面上形成光学吸收性、漫射性或散射性部分74来遮蔽光探测器46/48使其不受到散射的、意外的或者其他不期望的光线的影响。可以通过模塑、磨削、打磨或本领域的技术人员所公知的其他方法来形成空气隙槽72。

[0051] 现在参照图1到图5d，可见这里所图示的单穹顶透镜光学编码器10适合于使用在具有两个、三个或更多数据通道的增量式光学编码器中，具有六个或其他数目的通道的换向编码器中，伪绝对光学编码器中以及绝对光学编码器中。此外，因为可以在仍然允许使杂散光最小化或者基本消除的情况下，彼此非常接近地安置光发射器42/44和单码道光探测器46/48，所以图1到图5d中图示的单穹顶透镜光学编码器非常适合于小型化。图1到图5d中图示的实施例允许小的光学编码器封装10被构造，使得发送光和接收光共享相同的透镜50。经改善的性能也使得由照射到探测器上的杂散光所造成的编码器10的噪声水平最小化或者被消除。因此，编码器10可以被用在高速旋转或线性系统中。此外，执行在各种半导体包装封装应用中通常被采用的低成本的传递模塑工艺所需要的制造工艺和设备上的投资是最小的。

[0052] 现在参照图6a，图示了三穹顶透镜双码道光学编码器15的一个实施例的俯视图和截面图。三穹顶透镜反射光学编码器15包括具有上表面41的衬底40，上表面41具有相对的第一侧56和第二侧58，第一侧56和第二侧58由布置在其之间的第一轴线57所分隔开。相对的第三侧57和第四侧59由布置在其之间的第二轴线83分隔开，其中第一轴线57基本垂直于第二轴线83。

[0053] 继续参照图6a，光发射器42/44安装或者连接到第一侧56，并且构造为从光发射器42/44发射光。光发射器42/44由形成在其之上并且与其直接接触的第一穹顶透镜60a覆盖，使得没有空气隙位于光发射器42/44与第一穹顶透镜60a之间。索引通道探测器20/46b安装或连接到由第二侧58和第三侧57的第一重叠区域所限定的第一区域。索引通道探测器20/46b由形成在其之上并且直接与其接触的第二穹顶透镜60b覆盖，使得没有空气隙位于索引通道探测器20/46b与第二穹顶透镜60b之间。

[0054] 至少一个数据通道探测器24/46c安装或连接到由第二侧58和第四侧59的第二重叠区域所限定的第二区域。数据通道探测器24/46c由形成在其之上并且直接与其接触的第三穹顶透镜60c覆盖，使得没有空气隙位于数据通道探测器24/46c与第三穹顶透镜60c之间。

[0055] 第一穹顶透镜60a构造为允许来自光源42/44的光折射通过其一部分，以从包括数据带33的第一码尺30反射。第一穹顶透镜60a还构造为允许来自光源42/44的光折射通过其一部分，以从具有索引带31的单独的第二索引尺(index scale)反射。如图6a所示，第一码尺30和第二索引尺构造为沿着彼此平行但是不同的第三轴线23和第四轴线25移动。

[0056] 索引尺相对于第一和第二穹顶透镜60a和60b可操作地定位，使得从索引尺反射的光的至少一部分被引导向第二穹顶透镜60b，并且折射通过第二穹顶透镜60b的一部分，以由索引通道探测器20/46b进行探测。码尺30相对于第一和第三穹顶透镜60a和60c可操作地定位，使得从码尺30反射的光的至少一部分被引导向第三穹顶透镜60c，并且折射通过第三穹顶透镜60c的一部分，以由数据通道探测器24/46c进行探测。

[0057] 图6b到图6e图示了本发明的三穹顶透镜光学编码器的各种其他实施例的截面图，其中空气隙槽72设置在一侧的光发射器42/44和第一侧56与另一侧的双码道光探测器46b/20和46c/24和第二侧58之间。空气隙槽72构造为防止或抑制由光发射器42/44发射的直射光线直接照射到双码道光探测器46b/20和46c/24上。在图6c和图6e的实施例中，部分74布置在空气隙槽72的外表面上，其被涂有涂层或进行处理以防止或抑制杂散光照射到双码道光探测器20和24上。可以通过例如激光切割、机械打磨的方式，或者通过将适当的光学吸收性、漫射性或散射性的涂层或材料布置在空气隙槽73的外表面上来形成部分74。可以想到并采用本领域的技术人员所公知的其他方式，该方式用于在空气隙槽72的外表面形成光学吸收性、漫射性或散射性部分74来遮蔽光探测器46b/20和46c/24使其不受到杂散光的影响。可以通过模塑、磨削、打磨或本领域的技术人员所公知的其他方法来形成空气隙槽72。

[0058] 现在参照图7a，图示了三穹顶透镜双码道光学编码器15的另一个实施例的俯视图和截面图。三穹顶透镜反射光学编码器15包括具有上表面41的衬底40，上表面41具有相对的第一侧56和第二侧58，第一侧56和第二侧58由布置在其之间的第一轴线57所分隔开。相对的第三侧57和第四侧59由布置在其之间的第二轴线83分隔开，其中第一轴线57基本垂直于第二轴线83。

[0059] 继续参照图7a，光发射器42/44安装或者连接到第一侧56，并且构造为从光发射器42/44发射光。光发射器42/44由形成在其之上并且与其直接接触的第一穹顶透镜60a覆盖，使得没有空气隙位于光发射器42/44与第一穹顶透镜60a之间。索引通道探测器20/49安装或连接到由第二侧58和第三侧57的第一重叠区域所限定的第一区域。索引通道探测器20/49由形成在其之上并且直接与其接触的第二穹顶透镜60b覆盖，使得没有空气隙位于索引通道探测器20/49与第二穹顶透镜60b之间。至少一个数据通道探测器24/49安装或连接到由第二侧58和第四侧59的第二重叠区域所限定的第二区域。数据通道探测器24/49由形成在其之上并且直接与其接触的第三穹顶透镜60c覆盖，使得没有空气隙位于数据通道探测器24/49与第三穹顶透镜60c之间。

[0060] 第一穹顶透镜60a构造为允许来自光源42/44的光折射通过其一部分，以从包括数据带33的第一码尺30反射。第一穹顶透镜60a还构造为允许来自光源42/44的光折射通过其一部分，以从具有索引带31的第二索引尺反射。如图7a所示，第一码尺30和第二索引尺构造为沿着彼此平行但是不同的第三轴线23和第四轴线25移动。索引尺相对于第一和第二穹顶透镜60a和60b可操作地定位，使得从索引尺反射的光的至少一部分被引导向第二穹顶透镜60b，并且折射通过第二穹顶透镜60b的一部分，以由索引通道探测器20/49进行探测。码尺30相对于第一和第三穹顶透镜60a和60c可操作地定位，使得从码尺30反射的光的至少一部分被引导向第三穹顶透镜60c，并且折射通过第三穹顶透镜60c的一部分，以由数据通道探测器24/49进行探测。

[0061] 如图7a、图7b和图7c所示，光学不透明的光屏障70布置在第一侧56与第二侧58之间，并且构造为防止或抑制由光发射器42/44发射的直射光线直接照射到双码道光探测器20/49和24/49上。图7a中图示的实施例能够改善双码道光学编码器15的性能。通常，光学编码器的性能受到杂散光的影响。这种杂散光减小了编码器的对比度，限制了可以获得的最大速度或频率。高性能光学编码器能够实现高水平的图像对比度和分辨率。通过将光屏障70结合进光学编码器15中，可以提供更高性能的光学编码器。光学屏障70基本阻挡了不期望的杂散光照射到光探测器20/49和24/49上。因此，光学编码器15的噪声水平可以被最小化。

[0062] 现在参照图7d，图示了包括布置在第一侧56与第二侧58之间的部分74的双码道光学编码器的另一个实施例，其中部分74涂有涂层或进行处理，以防止或抑制杂散光照射到双码道光探测器20/49和24/49上。可以通过例如激光切割、机械打磨的方式，或者通过将适当的光学吸收性、漫射性或散射性的涂层或材料布置在下述区域的外表面上来形成部分74：该区域布置在一侧的第一穹顶透镜60a与另一侧的第二和第三穹顶透镜60b和60c之间。可以想到并采用本领域的技术人员所公知的其他方式，用于在光学编码器15的外表面上形成光学吸收性、漫射性或散射性部分74来遮蔽光探测器20/49和24/49使其不受到杂散光的影响。

[0063] 此外，如图6a到图7d所示，第一、第二和第三穹顶透镜60a、60b和60c可以包括围绕其周边布置的斜面52和保护性凸起部中的至少一者。如图7a所示，至少一个数据通道光探测器24/49和索引通道光探测器20/49可以布置在单一管芯上，或者可选择地可以包括分别包含索引通道光探测器20和数据通道光探测器24的分立的管芯。根据实际的具体应用，第一、第二和第三穹顶透镜60a、60b和60c的外表面54a、54b和54c可以为球面的、非球面的和/或双锥形的。第一、第二和第三穹顶透镜60a、60b和60c优选地由光学透明的并且适于模压的环氧树脂制成。

[0064] 图6a到图7d中图示的三穹顶透镜反射光学编码器可以被构造为使得数据通道光探测器24包括一个光探测器、分别对应于A和B数据通道的至少两个光探测器，分别对应于A、B、A\和B\数据通道的至少四个光探测器，或者适合于实际的具体应用的任何其他数目的光探测器。衬底40可以为印刷电路板、引线框，可以包括塑料或者适当的聚合物。

[0065] 这里所描述的各种组件、装置和系统的制作方法也包括在本发明的范围内。

[0066] 上述实施例应该被认为是本发明的示例，而不是对本发明的范围的限制。除了本发明的上述实施例之外，对于详细说明书和附图的回顾将会引出存在本发明的其他实施例。因此，这里没有明确地陈述的本发明前述实施例的许多结合、置换、改变以及修改仍然落入本发明的范围内。

[0067] 本申请与Saidan Saiful Bahari等人的题为“Single Track OpticalEncoder”的美国专利申请No.________是同日递交的，该申请的全部内容通过引用方式结合于此。

标题	发布/更新时间	阅读量
光学编码器-专利编号CN102207396B	2020-05-12	220
光学编码器-专利编号CN104748774B	2020-05-11	215
光学编码器-专利编号CN104596555A	2020-05-12	585
光学编码器-专利编号CN108007482A	2020-05-11	452
光学编码器-专利编号CN102589589B	2020-05-12	424
光学编码器-专利编号CN102589589A	2020-05-13	591
光学编码器-专利编号CN102288202A	2020-05-13	588
光学编码器-专利编号CN106248124A	2020-05-11	616
光学编码器-专利编号CN105987714A	2020-05-11	797
光学编码器-专利编号CN102209882A	2020-05-13	160

光学反射编码器系统、装置和方法

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