專利名稱：反射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射傳感器，其將光發(fā)射元件發(fā)射的光照射在被測 對象上，由此在光接收元件處接收反射的光，并基于接收到的光量改變 檢測對象的位移。
背景技術(shù)：
圖23是示出相關(guān)技術(shù)中反射編碼器的透視圖。圖24示出其XZ截 面。圖25示出與對應(yīng)于X軸的位移檢測軸垂直的YZ截面。光線從 LED芯片形成的光發(fā)射元件1發(fā)射， 一部分光由反射刻度板2反射并 通過由含有信號處理電路的光IC芯片組成的光接收元件3接收。均為 半導(dǎo)體器件的^射元件l和光接收元件3被貼片粘結(jié)(die-bond)于印
刷電路J4！ 4，并被由透光樹脂5和透明玻璃基板6組成的透明部件覆 蓋。所述光發(fā)射元件l、光接收元件3、印刷電路板4、樹脂5和透明玻 璃基板6構(gòu)成檢測頭7。
另一方面，反射刻度板2由反射刻度;H^材8以及包括反射層9和 另一反射層10的反射層形成部分11構(gòu)成。在日本未決專利公開No. 2003-337052中公開了上述類型的>^射編碼器。
圖26是示出日本未決專利公開No. 2004-6753中公開的相關(guān)技術(shù) 的另一反射編碼器的檢測頭部分的透視圖。圖27是其截面圖。在襯底 12上以預(yù)定形狀形成電路圖案12a。具有M射區(qū)13a的M射元件13 以及具有光接收區(qū)14a并包括信號處理電路的光接收元件14被貼片粘 結(jié)于電路圖案12a。 M射元件13和光接收元件14的每一端通過導(dǎo)線 15連接。
M射元件13、光接收元件14和導(dǎo)線15被由透明樹脂材料和透明 玻璃14117組成的包圍層16所覆蓋。如圖27所示，包圍層16的高度
需要等于或大于光發(fā)射元件13和光接收元件14的高度。通過考慮導(dǎo)線 15的環(huán)高度和將光學(xué)半導(dǎo)體組件固定于襯底12的邊緣確定包圍層16的 厚度。
如圖26和27所示，在光發(fā)射元件13和光接收元件14的幾乎中間 點處形成光防護(hù)墻18。在緊接光防護(hù)墻18的正下方設(shè)置電路圖案 12a。如圖27所示，通過利用阻光樹脂填充寬度為W的槽來形成光防 護(hù)墻18。在利用阻光樹脂填充之前槽的深度d略小于包圍層16和透明 玻璃^L17的總厚度，以保護(hù)襯底12上的電路圖案12a。
提供光防護(hù)墻18以防止從光發(fā)射元件13的M射區(qū)13a發(fā)射的光 透過包圍層16傳播并iiX光接收元件14的光接收區(qū)14a。
對于置于光發(fā)射元件13和光接收元件14之間的光防護(hù)部件，在通 用器件(例如反射傳感器和反射光中斷器)已經(jīng)提出了各種方法，這些 方法中的一些在下列文獻(xiàn)中有所公開，日本未決專利No, 2000-277796、日本專利No. 3782489和日本專利No. 3261280。
在相關(guān)技術(shù)的反射編碼器和反射傳感器的半導(dǎo)體封裝中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有 下列問題。例如，在圖25中，包^、在角度范圍ei中的光線對應(yīng)于經(jīng)由 反射刻度板2從光發(fā)射元件1的光發(fā)射區(qū)引向光接收元件3的光接收區(qū) 的有效光線。
如果角度62相對于itiL射元件1的最大強度所在的主光線軸al明 顯很大，則在其中心包括傾斜光線的角度范圍ei中的光線僅僅占由光 發(fā)射元件1發(fā)出的所有光線的一小部分。因此，大部分光線是無效分 量，引發(fā)光利用效率極低的問題。
圖28示出圖25的局部放大圖。當(dāng)注意封裝中的光發(fā)射元件l和光 接收元件3之間的光線時，存在由光線L表示的光路，其由光發(fā)射元件 1發(fā)射，并由透明玻璃基板6的表面部分6a反射。如果角度03大于臨 界角(附)，則光線L被全反射，并^光接收元件3。該光線充當(dāng)疊加 在傳感器信號上的大偏離(bias)光分量。
在此情況下，傳感器信號的實際S/N比由于小比例的有效>^射光線 和大比例的光的偏離分量而極大地降低。通過使用透鏡可以增加有效反
射光線的比例。但是，透鏡的使用造成由于透鏡的光軸、光發(fā)射元件1
和光接收元件3之間的位置變化而引發(fā)的傳感器性能的變化。
很容易想到增加光接收元件3的光接收區(qū)的面積來增加有效反射光 線的比例。但是，較大的光接收區(qū)接收大量來自透明玻璃基板6的表面 部分6a的全反射光，使得傳感器信號的實際S/N比幾乎沒有獲得任何 提高。此外，較大的光接收區(qū)增加了檢測頭7的尺寸，并由于必然增加 了成本而造成經(jīng)濟方面的缺點。
還可以想到增加由光發(fā)射元件1發(fā)射的光量的方法，來補充到達(dá)光 接收元件3的量少的光。然而，增加了能量消耗，并且將過量的電流施 加于M射元件1具有降低光發(fā)射元件1的壽命的問題。另一個可以想 到的方法是在信號處理電路中執(zhí)行信號放大，但是這增加了電噪聲分 量，影響位置檢測的準(zhǔn)確性并從而不能提供有效的方法。
上面提到的包括使用透鏡、較大光接收區(qū)、由光發(fā)射元件l發(fā)射更 大量的光、以及在光接收元件3的信號處理電路中增強信號放大因數(shù)的 方法不能實現(xiàn)性能方面的顯著提高，或增加性能的變化。
圖26和27所示的光防護(hù)器件的使用可以防止上&目關(guān)技術(shù)中的問 題之一的光的偏離分量，并實現(xiàn)一定程度的改善。如圖29的圖形所 示，當(dāng)使用光防護(hù)部件時，提供模擬輸出的反射傳感器的輸出電壓V隨 著反射傳感器和充當(dāng)被測量的對象的反射樣品之間的距離G而變化。
具體地，如圖27所示，各個反射傳感器在到反射樣品距離d處提 供不同的輸出電壓V，這取決于光發(fā)射元件13和光接收元件14的安裝 位置的不同、位于上述二者之間的光防護(hù)墻18的位置或光接收敏感度 的變化。也就是說，取決于各個差別，輸出電壓表現(xiàn)為圖29所示圖形 的垂直軸上的不同值vl、 v2和v3。
如果在等于或小于距離Gl的距離處使用反射傳感器，則對于反射 傳感器和反射樣品之間的距離的敏感度為高。因此，實際上應(yīng)當(dāng)避免在 這樣近的距離處使用反射傳感器，因此需要額外的空間區(qū)域。
由于充當(dāng)光防護(hù)部件的光防護(hù)體位于光發(fā)射元件13和光接收元件 14的中間點處，因此在M射元件13和光接收元件14之間必須設(shè)置大
的間隔。這增加了安裝元件的區(qū)域，阻礙了反射傳感器尺寸的減小。此 外，使用光防護(hù)部件必然增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種反射傳感器，其防止由光源發(fā)射的發(fā)散光被封裝及 其外側(cè)之間的界面全反射并進(jìn)入光接收元件，而無需使用光防護(hù)器件，
這使得S/N比提高并降低性能變化。
根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種反射傳感器，包括置于表面上的光 發(fā)射元件和光接收元件、以及覆蓋所述光發(fā)射元件和光接收元件的透光 部件。所述光接收元件包括沿所i^面與光發(fā)射元件隔開的光接收區(qū)， 所述光接收區(qū)距離所述光發(fā)射元件比所述表面上由透光部件及其外側(cè)之 間的界面全反射并被引向光接收元件的未受阻光線照射的區(qū)域更近。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種反射傳感器，包括置于表面上的光 發(fā)射元件和光接收元件、以及覆蓋所述光發(fā)射元件和光接收元件的透光 部件。所述光接收元件包括置于從光發(fā)射元件的光發(fā)射區(qū)的中心起半徑 為R的圓周中的表面上的光接收區(qū)，所述半徑R由下式確定
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其中M代表具有透光部件及其外側(cè)之間的界面的透光部件的折射率， No代表透光部件之外的介質(zhì)的折射率，Dl代表從M射元件的光發(fā)射 區(qū)到所述界面的距離，D2代表從光接收元件的光接收區(qū)到所述界面的 距離。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，本發(fā)明提供一種包括上述反射傳感器的裝 置。所述裝置基于由所述反射傳感器提供的信息運行。
參考附圖，根據(jù)下面對優(yōu)選實施例的描述，本發(fā)明的其它目的和特 征將顯而易見。


圖l是示出本發(fā)明的實施例1的反射編碼器的配置的示意圖。
圖2示出實施例1中在粘合反射刻度板之前的反射編碼器的截面
圖。
圖3是示出實施例1中的已粘合的反射刻度板的截面圖。 圖4是實施例1中的檢測頭的主要組件的平面圖。 圖5A和5B是用于解釋實施例1中的電流限制類型的光發(fā)射元件 的示意圖。
圖6示出實施例1中的反射編碼器的信號處理電路。 圖7是用于解釋實施例1中的光線光路的示意圖。 圖8A和8B分別示出實施例1中在PL界面的亮度分布圖和距離光 源一定多巨離的亮度圖。
圖9是實施例1中的一部分模擬模型。
圖IO示出圖9所示的模擬模型的亮度分布圖。
圖11A-11D是用于解釋實施例1的反射編碼器中具有不同間隔的各 個光路的示意圖。
圖12是實施例1中當(dāng)使用距離iUL射元件的間隔作為M時的亮 度圖。
圖13是示出實施例1內(nèi)部反射光和有效光之間的關(guān)系的圖。 圖14A和14B是用于比較實施例1的反射編碼器的間隔特性和相 關(guān)技術(shù)中反射編碼器的間隔特性的圖。
圖15示出本發(fā)明的實施例2的反射編碼器的模擬模型的截面圖。 圖16示出實施例2的亮度分布圖。
圖17示出本發(fā)明的實施例3的反射編碼器的模擬模型的截面圖。 圖18是用于解釋實施例3中光路的示意圖。 圖19示出實施例3的亮度分布圖。
圖20示出本發(fā)明的實施例4的反射編碼器的模擬模型的截面圖。 圖21示出實施例4的亮度分布圖。
圖22示出本發(fā)明的實施例5的反射編碼器的亮度分布圖。 圖23是示出相關(guān)技術(shù)中的反射編碼器的透視圖。 圖24示出圖23中的^^射編碼器的XZ截面。 圖25示出圖23中的>^射編碼器的YZ截面。
圖26是示出相關(guān)技術(shù)中另一反射編碼器的透視圖。 圖27是圖26的反射編碼器的截面圖。 圖28是示出圖25的局部放大截面圖。
圖29示出針對相關(guān)技術(shù)中另一反射編碼器的間隔的輸出電壓的圖。
圖30是示出作為本發(fā)明的實施例6，其上安裝有實施例1-5的反射 編碼器的視頻照相機的配置的方框圖。
圖31是示出作為本發(fā)明的實施例7，其上安裝有實施例1-5的反射 編碼器的噴墨打印機的透視圖。
圖32是示出所述噴墨打印機的印刷頭的饋送控制部分的透視圖。
圖33是示出作為本發(fā)明的實施例8，所述噴墨打印機的紙張饋送控 制部分的透視圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖闡述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。 (實施例1)
圖1是示出本發(fā)明的實施例1的Jl射編碼器的配置的示意圖。將其 上以規(guī)則的間距形成有條紋的反射刻度板21固定于移動的被測對象 (此后，該被測對象被簡單地稱為對象)，并在對應(yīng)于設(shè)置條紋的方向 的X軸方向上移動。將作為反射傳感器的檢測頭22與所述反射刻度板 21相對放置。
所述檢測頭22由通過LED芯片實現(xiàn)的iUC射元件23、具有光電二 極管陣列作為光接收部分的光接收元件24、通過包括信號處理電路部分 25的光-IC芯片26實現(xiàn)的半導(dǎo)體器件、和其上安裝有上述組件的a 27所組成。
如圖2所示，反射刻度板21由圖案形成片31和反射層形成片32 組成。所述圖案形成片31由用于工業(yè)光刻膜的透明PET膜所形成，例 如其厚度大約為0.1到0.2mm，通過膝光和顯影步驟用工業(yè)光刻膜的乳 劑層在其上形成必要的圖案。在圖案形成片31的基材部分31a上設(shè)置
包括交替形成的充當(dāng)光吸收部分的非>^射部分31b和透光部分31c的圖 案。
在反射層形成片32中，在由作為基材的PET膜構(gòu)成的反射層32a 的下表面上形成由蒸鍍薄膜構(gòu)成的反射層32b。如圖3所示，通過由透 明粘合劑構(gòu)成的粘合層33將圖案形成片31與反射層形成片32粘合形 成所述反射刻度板21。
圖4是示出作為檢測頭22的主要組件的光發(fā)射元件23和光接收元 件24的平面圖。所述M射元件23由具有電流限制結(jié)構(gòu)的點光源紅色 LED形成，并包括具有直徑大約為80nm的圓形光發(fā)射窗的有效光發(fā)射 區(qū)Sl。 LED的發(fā)射波長為650 nm。
作為防止光發(fā)射元件23發(fā)射的光直接ii^光接收元件24的光接收 區(qū)的對策，通過使用電流限制類型的LED芯片而非通過外延生長而形 成的典型LED芯片實現(xiàn)M射元件23。圖5A中所示的典型LED芯片 T與圖5B中所示的電流限制類型的光發(fā)射元件23在發(fā)射光的強度分布 上明顯不同。典型LED芯片T在水平方向發(fā)射大量光，因此一些光有 可能直接i^v光接收區(qū)。相反地，電流限制類型的光發(fā)射元件23只向 前發(fā)射光線，因此光不大可能直接iiX光接收區(qū)。
如圖4所示，光-IC芯片26置于^iL射元件23附近。光-IC芯片 26包括對應(yīng)于靠近光發(fā)射元件23和信號處理電路部25的光接收元件 24的光接收部分的光接收區(qū)S2。在光接收區(qū)S2中，在水平方向以規(guī)則 的間距設(shè)置16個光電二極管24a、 24b、 24c、 24d…24m、 24n、 24o和 24p以充當(dāng)光接收元件24。圖中未示出光電二極管24e到241。
光電二極管24a、 24e、 24i和24m彼此電連接以形成相位a的集 合。光電二極管24b、 24f、 24j和24n彼此電連接以形成相位b的集 合。光電二極管24c、 24g、 24k和24o以及24d、 24h、 241和24p彼此 電連接以分別形成相位c的集合和相位d的集合。
相位a、 b、 c和d的每一組光電二極管接收光并根據(jù)光量輸出光電 流。當(dāng)反射刻度板21移動時，相位a到d的各組光電二極管輸出電 流，佳^得相對于相位a，相位b處于90度，相位c處于180度，以;M目 位d處于270度。
光-IC芯片26上的信號處理電路部25利用電^/電壓轉(zhuǎn)換器將輸出 電流轉(zhuǎn)換為電壓，利用差動放大器確定相位a和c之間的差動分量以及 相位b和d之間的差動分量，并以卯度的相差輸出相位A和B的位移 輸出信號。
圖6示出信號處理電路25并示出光發(fā)射元件23的光發(fā)射電路41 和模擬信號處理部分42。位置計算部分43用于基于來自模擬信號處理 部分42的相位A和B的模擬信號通過計算>^射刻度板21的移動量來 確定對象的位置。
初亂故大器44、 45、 46和47充當(dāng)I/V放大器，用于將在相位a、 b、 c和d的各組光電二極管中產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換為電壓，并相對于電 勢Vfl分別產(chǎn)生電勢Vl、 V2、 V3和V4。
差動輸出放大器48確定來自相位a和c的各組光電二極管的輸出 VI和V3之間的差動分量，以利用電勢Vf2作為偏壓提供相位A的信 號。類似地，差動輸出放大器49執(zhí)行來自相位b和d的各組光電二極 管的輸出V2和V4的差動放大，以提供相位B的信號。
通過分別在交流分量Va和Vb上疊加直流分量Vf2，從模擬信號處 理部分42提供輸出信號VA和VB，并將其輸出至位置計算部分43。所 述位置計算部分43統(tǒng)計相位A ( VA=Va+Vf2 )或相位B (VB=Vb+Vf2)的輸出信號的波峰數(shù)，并確定已經(jīng)過的通過從反射刻 度板21反射和折射的光在光接收區(qū)S2上形成的干擾帶的數(shù)量。干擾帶 的節(jié)距(pitch)與所統(tǒng)計的數(shù)量相乘以計算反射刻度板21的移動量。
可以根據(jù)相位A和B的輸出信號的交流分量計算相位A和B之間 的相位角，以確定等于或小于干擾帶的節(jié)距的移動量。
圖7是用于解釋沿圖1中的S平面得到的反射編碼器的光線光路的 示意圖。檢測頭22不僅包括iUL射元件23和光接收元件24，還包括覆 蓋基板27、 M射元件23和光接收元件24的透光密封樹脂51、以及 置于所述密封樹脂51上的透光玻璃(此后稱為透明玻璃)52。由于密 封樹脂51和透光玻璃52具有基本上相同的折射率，因此從光學(xué)角度來
看實際可以將其視為整體部件，并忽略它們之間的邊界。密封樹脂51
和透光玻璃52構(gòu)成覆蓋光發(fā)射元件23和光接收元件24的透光部件。 由所述透光部件覆蓋的檢測頭22構(gòu)成反射編碼器的封裝。 來自M射元件23的發(fā)散光被提供給平坦反射刻度板21。來自反
射刻度板21的反射和折射光在光-IC芯片26的光接收區(qū)S2上形成干擾帶。
如圖7所示，檢測頭22和反射刻度板21之間設(shè)置有間隔G。當(dāng)由 Ps表示反射刻度板21的節(jié)距時，在光接收區(qū)S2上形成具有二倍于節(jié) 距Ps的周期(Pf=2xps)的干擾帶。通過上述信號處理電路部分25將 與反射刻度板21的移動相關(guān)的干擾帶移動轉(zhuǎn)換為相位A和B的模擬信 號作為位移信號。
圖7示出由光發(fā)射元件23發(fā)出的光線中，與實施例1相關(guān)的典型 光線L0、 La和Lb。光線L0顯示一組由透光部件(透明玻璃52 )及其 外側(cè)之間的界面53折射和穿過所述界面、由反射刻度板21反射、并被 導(dǎo)向光接收區(qū)S2的光線。光線L0對應(yīng)于提供傳感器信號的有效光。
光線La由光發(fā)射元件23發(fā)射、由界面53全反射、并透過所述封 裝傳播。與上述充當(dāng)傳感器信號的有效光的光線L0相反，光線La是 噪聲光，不屬于傳感器信號光并且不應(yīng)當(dāng)被接收。如果光線La進(jìn)入光 接收區(qū)S2，則傳感器信號的S/N比會降低。
光線Lb穿過界面53并向外傳播，而不到達(dá)反射刻度板21,因此 光線Lb幾乎不影響測量準(zhǔn)確性等。
在實施例1中，為了防止不必要的光線La到達(dá)光接收元件24，根 據(jù)用作參考位置的光發(fā)射元件23的光發(fā)射區(qū)Sl確定光接收元件24的 光接收區(qū)S2的位置。
具體地，將光接收元件24的光接收區(qū)S2設(shè)置為比M射元件23 發(fā)射的所有光線中由界面53全反射并接著被導(dǎo)向光接M件24的光線 光路更靠近iUC射元件23。
圖8A和8B示出在包括光接收區(qū)S2的圖7中在PL截面從界面53 反射的光的亮度分布圖的模擬結(jié)果。在該模擬中，去掉反射刻度板21
以防止將由反射刻度板21反射的有效光分量疊加在觀察平面(PL截 面)上。
在圖8A中，光發(fā)射區(qū)Sl位于亮度分布的中央的白色方塊位置處。 光接收區(qū)S2由其左側(cè)的虛線示出。在亮度分布圖中，白色部分的亮的 環(huán)形部分表示由于從界面53反射的光線的高亮度區(qū)域，而黑色部分的 暗的部分表示低亮度區(qū)域。高亮度區(qū)域分布在以光發(fā)射元件23的光發(fā) 射區(qū)S1為中心的環(huán)形中。
圖8B示出在包括光發(fā)射元件23和光接收元件24的中心的XZ截 面中的亮度分布。在該亮度分布中，在從作為參考的光發(fā)射區(qū)Sl的中 心起半徑為Ri的圓周中存在低亮度區(qū)域。將光接收區(qū)S2置于低亮度區(qū) 域中可以提供不受不必要的光線影響的傳感器信號，而無需使用任何光 防護(hù)器件。以此方式，將光接收區(qū)S2置于上述低亮度區(qū)域中可以提供 具有高S/N比的來自對象的有M射光線，而無需使用相關(guān)技術(shù)中所用 的光防護(hù)器件。
在圖8B，不僅可以將光接收區(qū)S2置于從界面53以高強度全反射 的光形成的環(huán)形區(qū)域的內(nèi)側(cè)上(<Ri),還可以置于高亮度區(qū)域的外側(cè) (>Ri)，以避免高亮度區(qū)域的布置。
光接收區(qū)S2的布置條件可以用基于封裝的主要尺寸的表達(dá)式所表 示。圖7中密封樹脂51的折射率表示為Ni，封裝的外部區(qū)域，即透光 部件的外部中的介質(zhì)的折射率表示為No，光發(fā)射區(qū)Sl和界面53之間 的距離表示為Dl，光接收區(qū)S2和界面53之間的距離表示為D2，全反 射區(qū)域的半徑為Rmax。在提供給光接收元件24的光線以大于臨界角 的入射角射向界面53并從而全反射之后，以M射區(qū)S1的中心作為參 考位置(中心)，半徑Rmax由所述光線的位置確定為
及max = d/tan(siiT'(M)/M)l+D2/tan(sin一'(iVo/M')1 ( 1 )
由于在光接收元件24全反射的光線的亮度在半徑Rmax處表現(xiàn)出 最大值，因此這樣確定光接收區(qū)S2的布置條件，以便它應(yīng)該置于亮度 波峰位置的內(nèi)側(cè)。當(dāng)利用全反射射光強度的大約15%作為閾值確定可布置 區(qū)域時，光接收區(qū)S2可布置的圓形區(qū)域的半徑Ri由下列表達(dá)式(2)
表示
Ri-Rmaxx0.85 (2 )
另一方面，對于有效光線L0，由于有效光線LO相對于提供最大強
度的主光線以圖7中的角度eo傾斜，因此，有效反射的光線強度相應(yīng)
地減少了。為了增加來自反射刻度板21的有效光的強度，有利地使用 靠近光發(fā)射元件23的主光線軸的光線。為此，將光接收區(qū)S2更靠近光
發(fā)射區(qū)si可以降低角度eo，這使得傳感器信號的S/N比提高。
以此方式，實施例1中采用的方案適當(dāng)?shù)卮_定下列條件，以d更就上 述原因盡可能地將光發(fā)射區(qū)Sl和光接收區(qū)S2靠近，并使得光接收區(qū) S2位于半徑Ri的范圍內(nèi)，而不是置于環(huán)形高亮度區(qū)域中
相對于光發(fā)射元件23和光接收元件24的界面53的高度Dl和
D2;
光接收元件24的安裝位置； 光接收元件24上光接收區(qū)S2的布置； 光接收區(qū)S2的形狀和面積；和 界面53的材料的折射率。
實施例1中數(shù)值的具體實例包括D1-D2-0.70 mm， Ni-1.54 (環(huán) 氧樹脂)，和No-l.OO (空氣)。根據(jù)這些值，Ri基本上等于1.05 mm。 光接收區(qū)S2的形狀為0.5 mm乘1.0 mm的矩形。光發(fā)射元件23和光 接收元件24之間的芯片間距為0.2 mm。
圖9是示出上g擬模型的截面圖。圖10示出在來自反射刻度板 21的有效>^射光疊加于來自界面53的^^射光的觀察平面PL中的亮度 分布圖。可以看出，反射刻度板21的刻度圖案被投射至環(huán)形高亮度區(qū) 域內(nèi)部，以拔^供具有高S/N比的傳感器信號。
圖11A-11D示出當(dāng)實施例1中的反射刻度板21與檢測頭22之間的 間隔G被設(shè)為1.5 mm (圖11A )、 1.0 mm (圖11B )、 0.5 mm (圖 11C)和0.2 mm (圖11D )時的光路。在任何一個圖11A-11D中，從界 面53全反射的光線不ii^光接收區(qū)S2，使得可以提供具有良好的S/N 比的傳感器信號。
圖12示出在連接光發(fā)射區(qū)Sl和光接收元件24的線上的亮度分 布。橫軸表示在光接收元件24方向上到作為原點的M射元件23的位 置的距離。為線上的亮度分布標(biāo)出了 (1)來自反射刻度板的有效光以 及(2)來自界面53的反射光和全反射光。曲線示出當(dāng)使用反射刻度板 21和檢測頭22之間的間隔G為參數(shù)時的結(jié)果。
根據(jù)距離的平方反比定律，間隔G的值越大，有M射光的亮度越 低。另一方面，來自界面53的反射光和全反射光自然地與反射刻度板 21的間隔M無關(guān)，并且不隨著間隔G的改變而變化。
圖13示出將間隔G的變化作為^時由光與噪聲光的有效比表示 的傳感器信號的光S/N比。
作為值得注意的特性，在傳統(tǒng)的包括光防護(hù)部件的反射傳感器中， 有效光線由間隔0.2 mm (G-0.2 mm)的光防護(hù)部件阻擋，4吏得具有這 樣間隔的傳感器實際上不可用。相反，從圖13可見實施例1的反射傳 感器在這樣近的間隔范圍內(nèi)可以提供具有相當(dāng)高的光S/N比的傳感器信 號。間隔為2.0 mm (G=2.0 mm)時，S/N比等于或大于3。因此，可 以看出在寬的間隔變化范圍中可以提供有效信號。
圖14A和14B示出傳統(tǒng)的包括光防護(hù)部件的反射傳感器和實施例1 的反射傳感器之間的間隔特性的區(qū)別的圖。如示出相關(guān)技術(shù)的圖14A中 的圖所示，在相關(guān)技術(shù)中，當(dāng)在近的間隔范圍中使用反射傳感器時，反 射傳感器和反射樣品之間的距離敏感度增加。因此，實際上應(yīng)當(dāng)避免在 這樣近的距離范圍內(nèi)使用反射傳感器，所以需要額外的空間區(qū)域。
在圖14B所示的實施例1的jl射傳感器中，由于M射元件和光接 收元件之間的間距降低并且使用靠近光發(fā)射元件23的光軸的光線，因 此與相關(guān)技^M目比，光的使用效率提高了。實施例1不涉及由相關(guān)技術(shù) 中包括的光防護(hù)部件造成的光阻擋，使得在近間隔范圍中有效信號區(qū)域 變大并且安裝公差得以放寬。此外，可以以近的間隔使用反射傳感器， 這有益于降低其尺寸和節(jié)省空間。
在實施例1中，^JN"編碼器可以以高S/N比提供傳感器信號，而無 需使用光防護(hù)部件，并且可以顯著改善近間隔區(qū)域內(nèi)反射刻度板21和
檢測頭22的性能。此外光發(fā)射元件23和光接收元件24相互間比相關(guān) 技術(shù)更為靠近，以提高光的使用效率，從而使得光發(fā)射元件23的能量 消耗降低。而且，實施例1同時實現(xiàn)了小型化、品質(zhì)穩(wěn)定和低價格。 (實施例2 )
圖15是示出本發(fā)明的實施例2的反射傳感器的模擬模型的截面 圖。在此實施例中，與實施例1中相同的部件用相同的標(biāo)記表示。這也 適用于下面的實施例3-5。
和實施例1相比，在該反射傳感器中，界面53的高度增加了并且 由全反射光產(chǎn)生的環(huán)形高亮度區(qū)域的半徑Rmax有所增加。具體地，設(shè) Dl和D2為O.卯mm, Ni為1.54 (環(huán)氧樹脂)，和No為1.00 (空 氣)。根據(jù)這些值，Ri基本上等于1.45mm。
結(jié)果，如圖16的亮度分布圖中所示，和實施例1相比，可以設(shè)置 光接收部分的允許圓周的尺寸增加了，并且光接收元件24的光接收區(qū) S2的面積可以增加。例如，在此情況下，光接收區(qū)S2的面積可以擴大 至0,7 mm 乘1.4 mm的矩形。 (實施例3 )
圖17是示出本發(fā)明的實施例3的反射傳感器的模擬模型的截面 圖。在此實施例中，對于界面53的高度，M射元件側(cè)的高度D1和光 接jjtit件側(cè)的高度D2具有不同值。具體地，設(shè)Dl為0.3 mm， D2為 0.7 mm， Ni為1.54 (環(huán)氧樹脂)，和No為1.00 (空氣)。根據(jù)這些值， Ri基本上等于0.85 mm。
在實施例3中，光發(fā)射元件23上由高為0.3 mm的透光密封樹脂 51和透明玻璃52覆蓋。在透明玻璃52的上部形成內(nèi)徑為0.6 mm深為 0.4 mm的柱形凹面部分。
圖18示出實施例3的封裝中有效反射光和全反射光的光路示意 圖。光接收區(qū)S2設(shè)置于全反射光不iiA的位置。
如圖19的亮度分布圖中所示，可以設(shè)置光接收部分S2的允許圓周 的尺寸降低了，使得難以如實施例1和2將光接收區(qū)S2 i殳置于允許圓 周內(nèi)。但是，在此情況下，可以將光接收區(qū)S2設(shè)置于圓周外部以提供
類似于實施例1和2的效果。
由于安裝面積增加，實施例3不利于降低反射編碼器的尺寸，但是 可以以較高的靈活性將光接收區(qū)S2設(shè)置于光接收元件24之上，并且不 用嚴(yán)格限制光接收區(qū)S2的尺寸?？紤]到這些點，可以以將光接收區(qū)S2 設(shè)置于允許圓周內(nèi)的實施例1和2所不可能的方式設(shè)置光接收區(qū)S2。
(實施例4)
圖20是示出本發(fā)明的實施例4的反射傳感器的模擬模型的截面 圖。與實施例3 —樣，在此實施例中，對于界面53的高度，光發(fā)射元 件側(cè)的高度Dl和光接收元件側(cè)的高度D2具有不同值。具體地，設(shè)Dl 為0.3 mm， D2為0.7 mm， Ni為1.54 (環(huán)氧樹脂)，和No為1.00 (空 氣)。根據(jù)這些值，Ri基本上等于0.85mm。
如圖21的亮度分布圖中所示，在此情況下提供有復(fù)雜的亮度分 布?？梢詫⒐饨邮諈^(qū)S2設(shè)置于虛線所示的位置，以獲得類似于實施例 1的效果。
(實施例5 )
圖22是示出本發(fā)明的實施例5的反射傳感器的模擬模型的截面 圖。和實施例1相比，在此實施例中，光接收區(qū)S2的形狀有所變化。 至于界面53的高度，光發(fā)射元件側(cè)的高度Dl和光接收元件側(cè)的高度 D2具有相同值。具體地，設(shè)D1為0.7 mm, D2為0.7 mm， Ni為1.54 (環(huán)氧樹脂)，和No為1.00 (空氣)。根據(jù)這些值，Ri基本上等于1.05 mm。
當(dāng)將光接收區(qū)S2設(shè)置于半徑Ri內(nèi)使得光盡可能被有效利用的時 候，沿允許圓周以扇形(或類似扇形)或弧形形成光接收區(qū)S2。這基 本上使得來自反射刻度板21的較大量的有效反射光由光接收區(qū)S2接 收。因此，可以提高傳感器的S/N比。
實施例5中可以實現(xiàn)各種形狀的界面53。不考慮界面53的形狀， 可以改變光發(fā)射元件23和光接收元件24的相對位置和界面53的高 度，以防止在界面53 ^^射的全反射光^光接收區(qū)S2。
根據(jù)上述實施例1-5的反射傳感器，可以獲得下列效果。
(1)由于在光發(fā)射元件和光接收元件之間不需要光防護(hù)部件，因 此，可以將光發(fā)射元件和光接收元件彼此靠近安裝，以減少安裝面積， 和反射傳感器的尺寸，并消除由于光防護(hù)部件造成的性能變化。
(2 )因為減少了用于提供光防護(hù)功能的必要步驟和降低了封裝尺 寸，因此生產(chǎn)效率得到極大提高，可以降低制造成本，并顯著提高品質(zhì) 和可靠性。
(3) 光發(fā)射元件和光接收元件的彼此靠近安裝允許接收光發(fā)射元 件發(fā)射的光線中靠近光軸的光線。因此，提高了傳感器信號的S/N比。 此外，光的使用效率得以提高，并降低了光發(fā)射元件的驅(qū)動電流，以便 有利地實現(xiàn)低能耗。
(4) 與使用光防護(hù)部件的相關(guān)技術(shù)相比，間隔特性得以極大改 善，并且即使在反射傳感器靠近被測對象時也可以提供有效傳感器信 號。
已經(jīng)主要結(jié)合反射編碼器描述了實施例1-5，在本發(fā)明的替代實施 例中可以使用例如反射光中斷器的其它反射傳感器。 (實施例6)
圖30示出作為其上安裝有實施例1-5的反射傳感器的裝置的視頻照 相機的透鏡系統(tǒng)的配置。圖30示出這樣的配置，其中通過使用音圏致 動器驅(qū)動用于提供可變倍率的變倍透鏡801b和聚焦透鏡801d。安裝用 于縮放的編碼器816a和820與用于自動聚焦的編碼器816b和821,以 分別檢測變倍透鏡801b和聚焦透鏡801d的絕對位置。
附圖標(biāo)記816a和816b表示線性編碼器刻度板，820和821表示實 施例1-5中所述的檢測頭(反射編碼器)。
檢測頭820和821的輸出分別由讀取電路823和822讀取，并提供 給CPU 824。關(guān)于聚焦?fàn)顟B(tài)的信息也經(jīng)由讀取電路826提供給CPU 824，具有來自CCD 825的視頻信號。
CPU 824基于上述信息和之前存儲在ROM 827中的信息確定將經(jīng) 過每個音團(tuán)的電流值或其波形，并經(jīng)由驅(qū)動器829和828使電流分別通 過線圍816a和816b。由此系統(tǒng)，變倍透鏡801b和聚焦透鏡801d的位
置得以控制，以便保持對焦?fàn)顟B(tài)。
為了實現(xiàn)如上述實例所述的使用音圍致動器的視頻透鏡系統(tǒng)，需要
具有極小尺寸和高精確度的用于檢測透鏡位置的編碼器。實施例1-5中 所述的反射傳感器是十分合適的。
隨著這樣的視頻透鏡系統(tǒng)的尺寸減小，光學(xué)系統(tǒng)(透鏡)將需要更 高的定位靈敏度。這就要求編碼器具有極小尺寸、高分辨率和高精確 度。還要求低能耗。在這樣的裝置中使用實施例1-5中所述的反射傳感 器在降低能耗方面是有效的。
傳統(tǒng)編碼器包括一種其中電刷接著電極、所述電極上形成線性巻 (volume)或格雷碼圖案， 一種其中用光學(xué)元件與透鏡保持部件和例如 PSD的光電轉(zhuǎn)換元件一起移動實現(xiàn)位置檢測。
通過使用實施例1-5中所述的>^射傳感器可以實現(xiàn)所述編碼器，以 實現(xiàn)非接觸方式的位置檢測并顯著降低安裝空間。因此，可以很靈活地 i殳計該透鏡系統(tǒng)。 (實施例7)
圖31示出其上安裝有實施例1-5的反射傳感器的噴墨打印機的配 置。實施例7中，反射傳感器(編碼器)用于在噴墨打印機中控制打印 頭的驅(qū)動。
在圖31中，附圖標(biāo)記701表示外殼，505表示容納打印頭、墨盒等 的滑架單元。附圖標(biāo)記705表示導(dǎo)桿，703表示用于饋送紙張的驅(qū)動電 機，702表示驅(qū)動軸上的齒輪，704表示內(nèi)嚙合齒輪。附圖標(biāo)記603表 示安裝在主饋送輥軸上的齒輪。用于檢測旋轉(zhuǎn)角度的編碼器安裝于主饋 送輥軸上。
具有一端固定于外殼701的線性編碼器刻度板502與導(dǎo)桿705平行 延伸，并且其另一端經(jīng)由片簧(未示出)固定于外殼701。
實施例7中通過在由透明聚碳酸酯形成的透明膜中以預(yù)定間距形成 小槽來提供刻度板502。
圖32示出在所述噴墨打印機的滑架上安裝實施例1-5中所述的反射 傳感器(編碼器檢測頭)的配置。
在圖32中，附圖標(biāo)記502表示安裝在圖31中的外殼701上的線性 編碼器刻度板，501表示編碼器檢測頭。它們與用于驅(qū)動噴墨頭的驅(qū)動 電路等一起安裝在附著于滑架504的基仗506上。
由于可以將有限的空間用于將編碼器檢測頭安裝在用于控制噴墨打 印機的滑架驅(qū)動的線性編碼器中，因此，很容易將實施例1-5中所述的 超小型反射傳感器安裝為檢測頭。也就是，與傳統(tǒng)透射編碼器相比，可 以容易地將反射傳感器并入打印機。例如從低能耗角度來看，反射編碼 器被有效地安裝在移動打印機上。
(實施例8)
噴墨打印機不僅需要用于控制滑架位置的線性編碼器，還需要用于 檢測饋送紙張的輥的旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)編碼器。圖33是該打印機的側(cè)視 圖。圖33示出安裝在主紙張饋送輥驅(qū)動齒輪605、檢測頭601和其上安 裝有檢測頭601的J41603下面的旋轉(zhuǎn)編碼器刻度板602。
具有如實施例1-5所述的簡化配置的檢測頭只包括微小的制造變化 并需要少量的部件。這允許高分辨率和高精確度的電分割。因此，如圖 33所示，可以將用于角度檢測的旋轉(zhuǎn)編碼器刻度板的尺寸減小到這樣的 程度，即它比驅(qū)動齒輪605的直徑還要小。通常，采用具有較大直徑的 編碼器刻度板來以高分辨率檢測紙張饋送的位置。
例如從低能耗角度來看，作為實施例1-5所述的線性編碼器，它被 有效地安裝在移動打印機上。
雖然已經(jīng)參考實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不局限于 所公開的實施例。權(quán)利要求的范圍符合最寬的解釋，以便涵蓋所有變 化、等同結(jié)構(gòu)和功能。
此外，本發(fā)明不局限于這些優(yōu)選實施例和各種變化，可以進(jìn)行修改 而不脫離本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明要求享有下列文件的國外優(yōu)先權(quán)日本專利申請No. 2006-197041，申請日為2006年7月19日，在此通過引用將其全文并入。
權(quán)利要求
1、一種反射傳感器，包括置于表面上的光發(fā)射元件和光接收元件；和覆蓋所述光發(fā)射元件和光接收元件的透光部件，其中所述光接收元件包括沿所述表面與光發(fā)射元件隔開的光接收區(qū)，所述光接收區(qū)距離所述光發(fā)射元件比所述表面上由透光部件及其外側(cè)之間的界面全反射并被引向光接收元件的未受阻光線所照射的區(qū)域更近。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的反射傳感器，其中所述光發(fā)射元件由具有電 流限制結(jié)構(gòu)的LED形成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的反射傳感器，其中所述透光部件由透光樹脂 和透光玻璃形成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的反射傳感器，其中所述光接收區(qū)為扇形或弧形。
5、 一種包括根據(jù)權(quán)利要求1的反射傳感器的裝置，其中所述裝置 基于由所述反射傳感器提供的信息操作。
6、 一種反射傳感器，包括 置于表面上的光發(fā)射元件和光接收元件；和 覆蓋所述M射元件和光接收元件的透光部件，其中所述光接收元件包括置于從光發(fā)射元件的光發(fā)射區(qū)的中心起半 徑為R的圓周中的表面上的光接收區(qū)，所述半徑R由下式確定i = Dl / tan {sin—1 (7Vo / + / tan {sin_1 (7Vo / 其中Ni代表具有透光部件及其外側(cè)之間的界面的透光部件的折射率， No代表透光部件之外的介質(zhì)的折射率，Dl代表從M射元件的光發(fā)射 區(qū)到所述界面的距離，D2代表從光接收元件的光接收區(qū)到所述界面的 距離。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的反射傳感器，其中光接收元件由光-IC形成， 所述光-IC包括由多個光電二極管形成的光接收部分和由多個初M大 器和差動放大器形成的信號處理部分。
8、 一種包括根據(jù)權(quán)利要求6的反射傳感器的裝置，其中所述裝置 基于由所述反射傳感器提供的信息操作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反射傳感器，其防止來自光源的發(fā)散光被封裝及其外側(cè)之間的界面全反射并進(jìn)入光接收元件，而無需使用光防護(hù)器件，這使得S/N比提高并降低性能變化。所述反射傳感器包括置于表面上的光發(fā)射元件和光接收元件、以及覆蓋所述光發(fā)射元件和光接收元件的透光部件。所述光接收元件包括沿所述表面與光發(fā)射元件隔開的光接收區(qū)，所述光接收區(qū)距離所述光發(fā)射元件比所述表面上由透光部件及其外側(cè)之間的界面全反射并被引向光接收元件的未受阻光線照射的區(qū)域更近。
文檔編號H01L31/12GK101110416SQ20071013701
公開日2008年1月23日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月19日
發(fā)明者井垣正彥, 熱田曉生 申請人:佳能株式會社