CN102589589B - 光学编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学编码器包括光学盘、轴、光源以及感测器。光学盘具有第一表面、与第一表面相对的第二表面、连接于第一表面与第二表面之间的侧表面以及多个分布于第一表面的第一光学结构。轴设置于光学盘的中心，其中光学盘以轴为旋转轴心。光源位于侧表面的一侧，其中光源提供一朝向侧表面传递的光线。感测器配置于光学盘的一侧，以接收从第一表面射出的光线，其中第一表面位于第二表面与感测器之间。

Description

光学编码器

【技术领域】

本发明是有关于一种光学编码器(optical encoder)，且特别是关于一种具有光学结构的光学盘的光学编码器。

【背景技术】

目前，为了精确地掌握马达的转动情况，现有技术会在马达内部加装光学编码器。光学编码器是由一个刻有特定讯息的光学盘、光源以及光感测器所构成。一般而言，光学盘上具有多个能够让光线通过的周期性排列开孔，当光学盘转动时，光感测器会接收到具有特定周期性的光信号，此时，光学编码器便能够根据此光信号判断马达的转速以及转动量。

在现有的光学编码器中，光学盘通常是金属或是玻璃材质，且金属光学盘是通过电铸方式所形成，而光学盘上的开孔通常是通过蚀刻方式形成。虽然金属及玻璃材质的光学盘具有良好的耐温特性以及很长的使用寿命，但利用电铸与蚀刻制程所形成光学盘在制造上需要较高的成本。此外，相较于金属及玻璃材质的光学盘，光学编码器中的光源(例如是发光二极管)具有较短的使用寿命以及较差的耐温极限，因此，所使用的光源种类常常会局限光学编码器的应用范围。

承上述，如何降低光学编码器的制造成本并且延长光源的使用寿命，实为目前研发人员亟欲解决的问题之一。

【发明内容】

本发明提供一种光学编码器，其利用光学盘上的光学结构加强输出光强度，进而提升光使用效率并降低发光二极管所需功率，达到延长光源寿命的效果。

本发明提供一种光学编码器包括一光学盘、多个分布于该第一表面的第一光学结构、一轴、一光源以及一感测器。光学盘具有一第一表面、一与第一表面相对的第二表面、一连接于第一表面与第二表面之间的侧表面。轴设置于光学盘的中心，用以作为光学盘的旋转轴心。光源位于侧表面的一侧，其中光源用以提供一朝向侧表面传递的光线。感测器配置于光学盘的一侧，用以接收从第一表面射出的光线，其中第一表面位于第二表面与感测器之间。

在本发明的一实施例中，前述的第一光学结构沿着至少一个圆形路径排列，且各圆形路径的圆心与光学盘的中心重合。

在本发明的一实施例中，前述的光学盘具有多个配置于侧表面的第二光学结构，第二光学结构为一聚光结构，用以汇聚光线，且第二光学结构对应于第一光学结构配置。

在本发明的一实施例中，前述的光学盘具有多个位于第二表面上的第三光学结构。

在本发明的一实施例中，前述的第三光学结构为一导光结构，用以导引从侧表面入射光学盘的光线，使从侧表面入射光学盘的光线转向第一表面传递。

在本发明的一实施例中，前述的第一光学结构具有一遮光区域与一透光区域，用以使光学盘以轴为旋转轴心旋转时，感测器量测到第一光学结构所引起的周期性光强度变化。

本发明另提供一种光学编码器包括一光学盘、一轴、一光源、多个第一光学结构、多个第二光学结构以及一感测器。光学盘具有一第一表面、一与第一表面相对的第二表面以及一连接于第一表面与第二表面之间的侧表面。轴设置于光学盘的中心，用以作为该光学盘的旋转轴心。光源设置于光学盘的一侧，以提供一朝向光学盘传递的光线。多个第一光学结构配置于光学盘上，用以接收朝向光学盘传递的光线，并增加光学盘的出光效率。多个第二光学结构配置于光学盘上，用以使光学盘射出的光线产生周期性的变化。感测器位于光学盘的一侧，用以接收光学盘射出的光线。

在本发明的一实施例中，前述的第一光学结构为一柱体、一多角椎或一半球体的部分。

在本发明的一实施例中，前述的感测器与光源位于光学盘的同一侧或相对两侧。

在本发明的一实施例中，前述的光源位于侧表面的一侧，其中光源用以提供一朝向侧表面传递的光线。

在本发明的一实施例中，前述的光学编码器更包括一反射件，其中反射件设置于光学盘相对于感测器的另一侧。

在本发明的一实施例中，前述的光学盘为高分子材料。

基于上述，本发明的光学编码器可利用光学盘上的光学结构增加光的偏折与反射率，提升导入感测器的光线，藉此提升光使用率，并降低光源出光所需亮度。也就是说，通过提升光使用率，减少光源输出电流，以降低温度造成光源的损坏，并进一步提升光源的寿命。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

【附图说明】

图1A为本发明的第一实施例的光学编码器的侧视示意图。

图1B为图1A中光学盘的上视示意图。

图1C为图1A中感测器所量测到的周期性光强度变化示意图。

图2为本发明另一实施例的光学编码器的侧视示意图。

图3为本发明又一实施例的光学编码器的侧视示意图。

图4A为本发明再一实施例的光学编码器的侧视示意图。

图4B为图4A中光学盘的上视示意图。

图4C为图4A中感测器所量测到的周期性光强度变化示意图。

图5A至图5F为出光效率增强结构实施例示意图。

图6为出光效率增强结构在不同射出角度的出光效率关系图。

图7为出光效率量测方法示意图。

【主要元件符号说明】

100、200、300、400：光学编码器

110、210、310、410、720：光学盘

710：出光效率增强结构

112、212、312、412、412a、412b、412c：第一光学结构

114、214、314：第二光学结构

116、416、416a、416b、416c：第三光学结构

120、420：轴

130、230、330、430：光源

140、240、340、440、440a、140b、440c：感测器

250：反射件

112(A1)、412a(A1)、412b(A1)、412c(A1)：遮光区域

112(A2)、412a(A2)、412b(A2)、412c(A2)：透光区域

a、440a(a)、440b(a)、440c(a)：相对大值

b、440a(b)、440b(b)、440c(b)：相对小值

S1、S1’：第一表面

S2、S2’：第二表面

S3、S3’：侧表面

L1、L2、L1’、L2’、L2a、L2b、L2c：光线

α、β：角度

【具体实施方式】

图1A为本发明的第一实施例的光学编码器的侧视示意图。图1B为图1A中光学盘的上视示意图。

请参照图1A与图1B，本实施例的光学编码器100包括光学盘110、轴120、光源130以及感测器140。在本实施例中，光学盘110例如为圆盘状光学盘。此外，光学盘110的材质例如为聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)或压克力(Polymethyl methacrylate，PMMA)或达克纶(Polyethylene terephthalate，PET)等透明高分子材料。具体而言，光学盘110具有第一表面S1、与第一表面S1相对的第二表面S2、连接于第一表面S1与第二表面S2之间的侧表面S3以及多个分布于第一表面S1的第一光学结构112。

此外，光学盘110更包括多个配置于侧表面S3的第二光学结构114以及多个位于第二表面S2上的第三光学结构116。第二光学结构114对应于第一光学结构112配置。并且，上述第一光学结构112、第二光学结构114以及第三光学结构116皆为用以改变光线的传递方向(包含阻挡光线的前进)及/或改变光的强度。举例而言，第一光学结构112、第二光学结构114以及第三光学结构116可用以偏折、导引及/或汇聚光线。在本实施例中，第二光学结构114是用来增加光线L1进入光学盘110中的比率，第一光学结构112是用来偏折进如光学盘110中的光线L1，而第三光学结构116是用来增加光线L2被感测器140的比率。但本发明实施例中，上述第一光学结构112、第二光学结构114以及第三光学结构116的搭配并非用以限制本发明，根据本发明实施例的揭露，技术人员应可做适当的修饰，例如：第一光学结构112是用来偏折进如光学盘110中的光线L1、第二光学结构114是用来增加光线L1进入光学盘110中的比率、第三光学结构116是导光结构用来导引进入光学盘110的光线L1转向第一表面传递。

另外，第一光学结构112、第二光学结构114以及第三光学结构116的形状可以是V型槽、微透镜、棱镜、圆柱、半圆形、金字塔型、平面结构及其组合，且不限制为凸出或凹陷于光学盘110的基本平面。在本实施例中，第一光学结构112例如是棱镜(prism)，第二光学结构114例如是V型槽(v-cutgroove)，而第三光学结构116例如是微透镜(micro-lens)。

轴120设置于光学盘110的中心，其中光学盘110以轴120为旋转轴心旋转，换言之，轴120用以作为光学盘110的旋转轴心。除此之外，第一光学结构112沿着至少一个圆形路径排列，且圆形路径的圆心与光学盘110的中心重合。在本实施例中，第一光学结构112例如是采用单通道(single channel)设计。此处，当光学盘110以轴120为旋转轴心旋转至少一圈时，光源130所发出的光线会依序经由排列在同一个圆形路径上的多个第一光学结构112而被感测器140所撷取，这些排列于同一个圆形路径上的第一光学结构112即定义为属于同一通道。然而，单通道的实施方式并非用以限制本发明，在其他实施例中，光学编码器亦可采多通道(multi-channel)设计。

在本实施例中，光源130例如为发光二极管。此外，光源130例如是位于侧表面S3的一侧。在光学编码器的类型中，此种光源130位于光学盘110侧面的配置称为侧入型光学编码器。具体而言，光源130用以提供一朝向侧表面S3传递的光线L1。此外，感测器140配置于光学盘110的一侧(例如上方)，以接收从第一表面S1射出的光线L2，其中第一表面S1位于第二表面S2与感测器140之间，其中光线L1由侧表面S3进入光学盘110，并且由光学盘110较靠近感测器140的一侧射出光学盘110。

更具体而言，为了判定光学盘110转动圈数的需求，第一光学结构112更具有遮光区域112(A1)与透光区域112(A2)。此外，遮光区域112(A1)其遮光比例大于0且小于等于100％，其透光度低于透光区域112(A2)。请参照图1C，藉此，当光学盘110以轴120为旋转轴心旋转时，感测器140可量测到第一光学结构112上由遮光区域112(A1)与透光区域112(A2)所引起的周期性光强度变化。而通过此周期性光强度变化，可进一步算出光学盘110的转速与转动量等，其中a为周期性的光强度变化相对大值，b为周期性的光强度变化相对小值。

除此之外，光强度峰值(例如是图1C中相对大值a与相对小值b)与光学结构设计的形状有关，通过调变光学结构的形状，可测得不同的光强度变化。具体而言，通过调变光学结构的形状，可最佳化感测器140所接收到的光强度。而当光强度够高时，也就是说光线传递过程中光线的耗损量降低时，则可通过降低发光二极管的输入电流，使发光二极管的温度大幅降低，进而提升发光二极管的寿命，或者达到减少感测器140所消耗功率的目的。

除了上述侧入型单通道光学编码器外，本发明的光学编码器亦可为反射型单通道光学编码器，其光学设计将搭配图2进行描述。

图2为本发明另一实施例的光学编码器的侧视示意图。请参照图2，本实施例的光学编码器200包括光学盘210、轴(与图1B具有相似结构以及功能，请参照图1B)、光源230、多个第一光学结构212、多个第二光学结构214以及感测器240。在本实施例中，光学盘210的材料例如为聚碳酸酯、压克力或PET等透明高分子材料。具体而言，光学盘210具有第一表面S1’、与第一表面S1’相对的第二表面S2’以及连接于第一表面S1’与第二表面S2’之间的侧表面S3’。

在本实施例中，多个第一光学结构212配置于光学盘210上的第一表面S1’，用以接收朝向光学盘210传递的光L1’，并增加光学盘210的出光效率。具体而言，第一光学结构212例如为半球体。然而，在其他实施例中，第一光学结构212亦可为柱体。除此之外，此处所指的半球体系指其几何结构为球体的一部份，且本申请案不限定前述的半球体的体积必须为球体体积的一半(50％)。

在本实施例中，多个第二光学结构214配置于光学盘210上，并位于第一光学结构212的一侧。此外，第二光学结构214的形状可以是V型槽、微透镜、角柱、圆柱、半圆形、金字塔型及其组合，且不限制为凸出或凹陷于光学盘210的基本平面。具体而言，第二光学结构214主要用以使光学盘210射出的光线产生周期性的变化(其效果例如是图1C所示，故不再赘述)。

在本实施例中，第二光学结构214与第一光学结构212虽以不同形状绘示于图2，然而，在实际运用上，第二光学结构214与第一光学结构212亦可为相似或一样的结构。

在本实施例中，光源230设置于光学盘210的一侧(例如上方)，用以提供一朝向光学盘210传递的光线L1’，其中第一表面S1’位于第二表面S2’与光源230之间。此外，感测器240位于光学盘210与光源230的同侧，用以接收光学盘210射出的光线L2’。

此外，在本实施例中，光学盘210更包括一反射件250，此反射件250例如是由聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、高分子膜或金属等材料所形成。具体而言，反射件250的反射率例如是大于85％。此外，反射件250设置于光学盘210的第二表面S2’上，例如是以高分子黏性物质或是其他承靠机构所组合，但本发明不以此为限。在光学编码器的类型中，具有反射件250且光源230配置于光学盘210的同侧等特性者，称为反射型光学编码器。

除此之外，当光源230所发出的光线L1’传递至第一表面S1’，第一表面S1’上的第一光学结构212将光线L1’导入光学盘210，并使光线L1’朝向第二表面S2’传递。此时，位于第二表面S2’的反射件250适于将光线L1’反射，并使光线L1’朝向第一表面S1’传递。接着，位于第一表面S1’上的第二光学结构214可有效地将光线L2’导出光学盘210，以增加光线L2’被感测器240撷取的比例。此外，位于第一表面S1’上的第二光学结构214能够使感测器240撷取到周期性变化的光强度，藉以判定光学盘210转速与转动量。

另外，除了上述侧入型以及反射型单通道光学编码器外，本发明的光学编码器亦可为穿透型单通道光学编码器，其光学设计将搭配图3进行描述。

图3为本发明又一实施例的光学编码器的侧视示意图。请参照图3，在本实施例中，光学编码器300与图2中的光学编码器200类似，惟二者主要差异的处在于：本实施例的光学编码器300中，感测器340位于光学盘310与光源330的相对两侧，且第二光学结构314位于第二表面S2’上。另外，光学盘310无须具有反射件250。在光学编码器的类型中，此种光源330与光学盘310位于相对两侧的配置，称为穿透型光学编码器。

详言之，当光源330所发出的光线L1’传递至第一表面S1’，第一表面S1’上的第一光学结构312将光线L1’导入光学盘310，并使光线L1’朝向第二表面S2’传递。此时，位于第二表面S2’的第二光学结构314可有效地将光线L2’导出光学盘310，以增加光线L2’被感测器340撷取的比例。另外，位于第二表面S2’上的第二光学结构314能够使感测器340撷取到周期性变化的光强度，藉以判定光学盘210转速与转动量。

除了上述的侧入型、反射型以及穿透型单通道光学编码器外，本申请案的光学编码器亦可为侧入型、反射型以及穿透型的多通道光学编码器，其详细内容将搭配图4A、图4B与图4C进行描述。

图4A为本发明再一实施例的光学编码器的侧视示意图。请参照图4A，本实施例的光学编码器400与图1A中的光学编码器100类似，惟二者主要差异的处在于：感测器440的数量为多个，而第一光学结构412区分为3群412a、412b、412c，且此3群第一光学结构412a、412b、412c分别沿着3个圆形路径排列(3通道设计)。此外，第三光学结构416亦对应于前述3群第一光学结构412a、412b、412c分布，且区分为3群416a、416b、416c。除此之外，本申请案不限定第一光学结构412的群数、第三光学结构416的群数以及感测器440的数量，此领域具有通常知识者依照本发明所揭露的实施例的敎示，可视设计需求而改变第一光学结构412的群数、第三光学结构416的群数以及感测器440的数量。

相较于单通道光学编码器(图1～图3)，本实施例的多通道光学编码器400能够精确地判定出绝对位置。当所采用的通道数越多时，光学盘410便可更精确地判断出绝对位置。

请参照图4B与图4C，不同群的第一光学结构412a、412b以及412c的遮光区域412a(A1)、412b(A1)以及412c(A1)与透光区域412a(A2)、412b(A2)以及412c(A2)可有三种周期性排列方式，以使光线L2a、L2b、L2c分别呈现出3种不同周期性的光强度变化(如图4C所示)，其中440a(a)、440b(a)、440c(a)为周期性的光强度变化相对大值，440a(b)、440b(b)、440c(b)为周期性的光强度变化相对小值。

图5A至图5F为出光效率增强结构实施例示意图。请参照图5A至图5F，图5A至图5F中的各种光学结构，可用以接收光源130、光源230、光源330与光源430等所提供的出射光，并使得出射光在通过上述光学结构后，可进而提高射出光线的出光效率。

为清楚说明上述利用光学结构提高射出光线的出光效率，以下将搭配图6与图7加以说明。图6为出光效率增强结构在不同射出角度的出光效率关系图，图7为出光效率量测方法示意图。参照图7，当入射光L1由入射角α为0度(亦即垂直入射)射入出光效率增强结构710后，通过出光效率增强结构710与光学盘720后，在光学盘720相对于出光效率增强结构710的另一侧的各个射出角β量测射出光线L2的强度，其中出光效率定义为：

出光效率＝射出光L2强度/入射光L1强度。

请参照图6，其中610为图5A光效率增强结构的出光效率曲线，而620为图5C光效率增强结构的出光效率曲线，可以发现在若在适当的角度设置感测器，其出光效率可以达到百分的七十以上。

上述具有多通道设计的光学盘除了可以应用在侧入型光学编码器中，亦可应用在反射型光学编码器以及穿透型光学编码器中。

综上所述，本申请案以透明高分子材料形成光学盘，可降低光学盘的制程成本，且在技术上较电铸与蚀刻制程容易达成。此外，光学盘上的光学结构可将发光二极管所输出的光线更有效地被引导至感测器，由于光源的光利用率被提升，因此光源有机会再更低的操作温度下工作，其使用寿命将可被进一步提升。此外，本发明实施例揭露侧入型光学编码器，由于光源设置于光学盘的侧面，因此能够缩小编码器的厚度。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一种光学编码器，包括：

一光学盘，具有一第一表面、一与该第一表面相对的第二表面、一连接于该第一表面与该第二表面之间的侧表面；

多个分布于该第一表面的第一光学结构，用以接收朝向该光学盘传递的光线，并增加该光学盘的出光效率；

一轴，设置于该光学盘的中心，用以作为该光学盘的旋转轴心；

一光源，位于该侧表面的一侧，其中该光源用以提供一朝向该侧表面传递的光线；以及

一感测器，配置于该光学盘的一侧，用以接收从该第一表面射出的光线，其中该第一表面位于该第二表面与该感测器之间。

2.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，该些第一光学结构沿着至少一个圆形路径排列，且各该圆形路径的圆心与该光学盘的中心重合。

3.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，该光学盘具有多个配置于该侧表面的第二光学结构，该第二光学结构为一聚光结构，用以汇聚光线，且该些第二光学结构对应于该些第一光学结构配置。

4.根据权利要求3所述的光学编码器，其特征在于，该光学盘具有多个位于该第二表面上的第三光学结构。

5.根据权利要求4所述的光学编码器，其特征在于，该些第三光学结构为一导光结构，用以导引从该侧表面入射该光学盘的光线，使从该侧表面入射该光学盘的光线转向第一表面传递。

6.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，该第一光学结构具有一遮光区域与一透光区域，用以使该光学盘以该轴为旋转轴心旋转时，该感测器量测到该第一光学结构所引起的周期性光强度变化。

7.一种光学编码器，包括：

一光学盘，具有一第一表面、一与该第一表面相对的第二表面以及一连接于该第一表面与该第二表面之间的侧表面；

一轴，设置于该光学盘的中心，用以作为该光学盘的旋转轴心；

一光源，设置于该光学盘的一侧，以提供一朝向该光学盘传递的光线；

多个第一光学结构，配置于该光学盘的该第一表面上，用以接收该朝向该光学盘传递的光线，并增加该光学盘的出光效率；

多个第二光学结构，配置于该光学盘上，用以使该光学盘射出的光线产生周期性的变化；以及

一感测器，位于该光学盘的一侧，用以接收该光学盘射出的光线。

8.根据权利要求7所述的光学编码器，其特征在于，该第一光学结构为一柱体、一多角椎或一半球体的部分。

9.根据权利要求7所述的光学编码器，其特征在于，该感测器与该光源位于该光学盘的同一侧或相对两侧。

10.根据权利要求7所述的光学编码器，其特征在于，而该光源位于该侧表面的一侧，其中该光源用以提供一朝向该侧表面传递的光线。

11.根据权利要求7所述的光学编码器，其特征在于，更包括一反射件，其中该反射件设置于该光学盘相对于该感测器的另一侧。