CN1116586C

CN1116586C - 光学位移检测装置

Info

Publication number: CN1116586C
Application number: CN97122401A
Authority: CN
Inventors: 小见利洋
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1997-10-28
Publication date: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: DE69715554D1; CN1183546A; JPH10132612A; US5841133A; EP0838665A1; EP0838665B1; DE69715554T2

Abstract

一种光学编码器，包括主刻度、发光装置和第二部件。主刻度是具有一光栅的第一部件。发光装置向主刻度发射平行光。第二部件检测与主刻度和第二部件之间的相对移动相应的明象和暗象的变化。第二部件包括一玻璃基片和一光接收集成电路片。玻璃基片具有薄膜极。光接收集成电路片具有一共用作指示光栅的光接收装置阵列，它通过焊料凸起用倒装焊接法设置在玻璃基片的反面。在集成电路片与玻璃基片之间的间隙中充有封住光接收集成电路片前表面的透明树脂。

Description

光学位移检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测由第一部件和第二部件的相对移动所造成的明象和暗象的变化，从而检测该第一和第二部件之间的变位的光学位移检测装置，尤其是涉及一种可用作小型手工工具长度测量装置的光学位移检测装置。

背景技术

用作线性编码器或旋转编码器的传统光学编码器包括刻度、指示器、光源和光接收装置。刻度具有一预定栅距的光栅。指示器具有一预定栅距的光栅，它距离刻度一预定的间隙而设置在其对面。光源向刻度发射平行光。光接收装置检测因刻度的移动而造成的、由刻度的光栅件与指示器的光栅件重叠所形成的明象和暗象的变化。该光学编码器具有两种类型，一种是透射型，一种是反射型。在透射型中，检测的是刻度的透射图案。在反射型中，检测的是刻度的反射图案。光接收装置的一个实例是一种具有光接收装置阵列的***，该光接收装置阵列可共用作指示器。

当这种光学编码器被运用在手工工具长度测量装置上时，必须减小光源部分和光接收部分的尺寸。为减小光源部分的尺寸，本发明的发明人在日本专利公开No.1-136021中提出了如下技术。在该相关技术中，发光二极管用半球形的透明树脂模塑而成，树脂的前表面上形成有一反射膜。这样，就提供了一平行光源。

光接收部分的实例有几种方法。(a)将光接收集成电路片设置于一线路板上，使该集成电路片的光接收表面朝上。光接收集成电路片和线路板用接线焊接方法连接。合成的结构由树脂模塑而成。(b)将光接收集成电路片设置于一框架(外壳)上。而后，在光接收侧上盖一玻璃片。在外壳中充氮气。

但是，在这些传统的方法中，当将装置运用于一外径为8mm的小线规上时，光接收部分有许多结构上的问题需要解决。虽然应象方法(a)那样：使整个光接收集成电路片由树脂模塑而成，或象方法(b)那样：用外壳封住光接收集成电路片来保护光接收集成电路，但在这些结构中，很难精确地减小光接收集成电路的光接收表面与刻度或指示器之间的间隙。而且，当该间隙因模塑树脂或玻璃片的存在而无法减小时，很难精确地使刻度或指示器与光接收集成电路对准。为了加强装置的功能，必须将放大器、电容器、零点检测光接收装置等等与光接收装置一起设置于光接收部分中。但这些装置使得光接收部分的尺寸无法减小。因此，很难定量地生产光学编码器和减少其生产工序，因而无法降低其成本。

发明内容

本发明正是从上述的观点出发而提出的。本发明的一个目的是提供一种允许精确调节诸结构部分之间间隙、尺寸减小和功能加强的光学位移检测装置。

本发明是一种光学位移检测装置，它包括：一具有第一光栅的第一部件；将光发射到所述第一部件的第一光栅上的一发光装置；和一具有第二光栅的第二部件，它通过一个间隙设置在所述第部件的对面，使得所述第一部件和所述第二部件能够相对移动，用于接收由所述发光装置发出的、穿过第一光栅和第二光栅的光，从而检测所述第一部件和所述第二部件之间的相对位移，其中，所述第二部件具有一透明的基片，该基片的前表面隔一间隙而与第一部件相对，其反面上设置有薄膜极，所述第二部件还具有一光接收片，该光接收片有一接收光的光检测装置和形成于该光接收片上的、与透明基片反面上的薄膜极相对应的焊料凸起，所述光接收片通过焊料凸起和薄膜极用倒装焊接法而设置在透明基片的反面，第二光栅设置在透明基片和光接收片中的至少一个上，并且，在透明基片与光接收片之间的间隙中充以一透明树脂。

按照本发明，光接收片是通过焊料凸起用倒装焊接法而设置在带薄膜极的透明基片上。利用这种结构，在倒装焊接过程的热装工序中，光接收片与透明基片之间的间隙和相对位置能够精确地调节。因此，光接收片的光接收表面和第一部件(主刻度)或第二部件(指示刻度)之间的间隙和位置能够精确地设定。

另外，由于光接收片和透明基片是用倒装焊接法连接，而不是用接线焊接法连接的，因此能减小透明基片的尺寸。而且，恒定间隙的电性连接和机械连接能够同时完成。因此，可降低光学位移检测装置的生产成本。

附图说明

下面将参照附图通过实例的方式来描述本发明，图中：

图1是本发明一实施例的光学编码器的结构的立体分解图；

图2A是该实施例的光接收集成电路片和玻璃基片的整体结构的平面图；

图2B是图2A所示的侧视图；

图2C是图2A所示的后视图；

图3是表示该实施例的光接收装置阵列与主刻度之间关系的放大的立体图；

图4是该实施例的设置有光接收集成电路片的那一部分的放大的侧视图；

图5A是该实施例的发光装置的结构的侧视图；

图5B是该实施例的发光装置的结构的俯视图；

图5C是该实施例的发光装置的结构的正视图；

图6是该发光装置的结构的剖视图；

图7是该实施例的光接收装置阵列及其下游线路的线路图；

图8是本发明另一实施例的指示器与光接收装置之间关系的示意图；

图9是本发明另一实施例的反射式编码器的结构的示意图；

图10是本发明另一实施例的波纹式编码器的结构的示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的实施例。

图1是本发明一实施例的光学编码器的结构的立体分解图。该实施例的光学编码器包括一作为第一部件的主刻度1、一发光装置2和一第二部件3。发光装置2向主刻度1发射平行光。第二部件3接收主刻度1的透射光。发光装置2通过用树脂模塑一发光二极管而构成。发光二极管发出的光由一凹面反射而形成平行光。以后将进行详细描述。主刻度1由一玻璃基片11构成。在玻璃基片11的一个表面上形成一带面层件的图案，该图案与第二部件3相对。这样，在该表面上就形成了一预定栅距的第一光栅12。

第二部件3包括一玻璃基片4和一光接收集成电路片5。玻璃基片4相对于主刻度1移动。玻璃基片4具有一个隔一间隙而与主刻度1相对的前表面和一反面。光接收集成电路片5是设置在玻璃基片4的反面上。指示光栅可以形成于玻璃基片4和光接收片5中的至少一个上。但在该实例中，如后面将要描述的，光栅是形成于光接收集成电路片5的光接收表面上。图2A到图2C示出了光接收集成电路片5和玻璃基片4的整体结构。图2A是从光接收集成电路片5方向看的整体结构的平面图。图2B是图2A所示的侧视图。图2C是从玻璃基片4的前表面方向看的整体结构的平面图。

如图3所示，光接收集成电路片5具有一光接收装置阵列51，它共用作指示光栅。光接收装置阵列51具有数组四个光电二极管PDA、PDAB、PDB和PDBB，它们各自所处的相位是相对于主刻度的光栅距λ彼此相差λ/4。

利用上述的结构，发光装置2的平行光射到主刻度1上。主刻度1的透射光由光接收装置阵列51调整。光接收装置阵列51输出四个不同相位的正弦波信号。

在该实施例中，除了检测位移的光栅12，在主刻度1的玻璃基片11上还形成有一零点检测图案13。同样，除了检测位移的光接收装置阵列51，在光接收集成电路片5上还一体地设置有与零点检测图案13相对应的一零点检测光接收装置阵列52。在该实施例中，在光接收集成电路片5上还一体地设置有一放大电路53，放大光接收装置阵列51和52的输出信号。

在该实施例中，光接收集成电路片5用倒装焊接法设置于玻璃基片4上。也就是说，如图2所示，在玻璃基片4上已形成了薄膜极43、薄膜线41和将光接收集成电路片5连接到外侧的外部端子42的图案。另外，在与玻璃基片4的薄膜极43相对应的一光接收集成电路片5的外部端子焊板上形成有由低熔点金属构成的焊料凸起54。从图4的放大图中可看出，光接收集成电路片5的焊料凸起54是热装于玻璃基片4的薄膜极43。这样，玻璃基片4和光接收集成电路片5就形成一体。如图4所示，在玻璃基片4和光接收集成电路片5之间的间隙中充有透明树脂10。因此，光接收片5的光接收表面就被封住。

透明树脂10例如可以采用天然树脂和合成树脂(热塑性树脂或热固性树脂)中的一种。然而，由于光接收集成电路多少会产生一点热量，因此在选用热固性树脂时，该树脂必须具有较低的热膨胀系数。采用低热膨胀系数的树脂，可防止因玻璃基片4和光接收集成电路片5之间膨胀程度的不同而造成的变形。透明树脂10最好具有较高的玻璃转变温度和较低的吸水能力。低吸水能力的树脂可防止空气中碱性离子与水分的发生，进而防止光接收集成电路受损。

当采用上述倒装焊接法时，光接收集成电路片5和共用作指示刻度的玻璃基片4可以在热装工序中精确地调节到较小的尺寸。另外，当在玻璃基片4上预先形成一对准记号时，可以使刻度和指示器精确地对准。

在该实施例中，将一用于稳定直流电源的片状电容器7与光接收片5一起设置于玻璃基片4上。另外，将一柔性的印刷电路板6连接于薄膜线41的外部端子部分42。

如图5所示，发光装置3包括电源引线架21a和21b、一发光二极管23、一透明树脂22和一非球面透镜件24。发光二极管23设置于引线架21a和21b的一侧。引线架21a和21b的一侧以及发光二极管23模制有透明树脂。非球面透镜件24由粘结于透明树脂22上的透明树脂构成。如图5所示，透镜件24的形状为一个半球件的一半。透镜件24通过一种精密塑型工艺得到。在透镜件24的外表面上涂覆一层由铝或类似物构成的反射膜25。这样，透镜件24就可起到凹面镜的作用。呈半球形物体的一半形状的透镜件24可发出平行的反射光，其平行度要高于半球形物体所反射的平行光。

从图6的放大的剖视图中可看出，发光二极管23是设置于半球形物体的竖切面的延长线上。只有在发光二极管23中心线一侧的光才会变为平行光。竖切面上粘结有一反射板26，因此，从发光二极管23的周边部分发出的光可由竖切面引导至凹面镜，因而可有效地将光用作大致平行的光。

图7是该实施例的光接收部分的结构及其下游线路的线路图。位移检测光接收阵列51和零点检测光接收阵列52的输出信号分别被输送到放大电路71和72。放大电路71和72分别放大光接收装置阵列51和52的输出信号。零点检测光接收装置阵列52的输出信号被输送到一零点检测电路73。该零点检测电路73产生一零点检测信号。信号处理电路74检测出与位移检测光接收装置阵列51的四相位输出信号和零点检测信号相对应的作为第一部件的主刻度1和第二部件3的变位。如以上所描述的，在该实施例中，在光接收集成电路片5上至少设置有光接收装置阵列51和52以及放大电路71和72。另外，零点检测电路73和信号处理电路74也可设置于光接收集成电路片5上。

在该实施例中，光接收集成电路片用倒装焊接法设置于玻璃基片上，它们起到指示刻度的作用。这样，光接收表面和主刻度之间的间隙就非常小，而且，它们能够被精确地校准。因此，该装置可提供优良的性能，串扰很小。另外，由于在光接收集成电路片和玻璃基片之间的间隙中充有树脂，并且光接收表面被封住，因此光接收集成电路片的前表面能得以有效地保护。这样，该装置的可靠性就足够高。利用光接收装置组件和发光装置组件的组合，可获得一种小尺寸、高性能的光学编码器，它能安装于8mmφ的线规上。

另外，按照该实施例，零点检测图案形成于主刻度上。除了位移检测光接收装置阵列，零点检测光接收装置阵列也设置于光接收集成电路片上。因此，可实现优良的功能。

应予注意的是，本发明并不仅限于上述实施例。例如，本发明是运用于指示刻度与光接收装置相分离的结构，而不是运用于光接收装置阵列共用作指示刻度的结构。在这种情况下，对应于主刻度上的光栅，在玻璃基片4上形成一光栅图案，作为指示刻度。指示光栅8和光接收装置的关系例示于图8中。相位差180°的指示光栅8A和8B形成纵向方向(位移方向)上的图案。与指示光栅8A和8B的相位差为90°的指示光栅8AB和8BB形成垂直于位移方向的方向上的图案。也就是说，0°、90°、180°和270°相位的四个指示光栅设置在玻璃基片4上的刻度1的光栅12的宽度范围内，形成2×2的矩阵。光接收集成电路片5的光接收装置是四个光电二极管PDA、PDB、PDAB和PDBB，它们设置在具有不同相位的四个指示光栅的对面。

在这种情况下，正如上述实施例的情况一样，光接收集成电路片5是用倒装焊接法设置在带有焊料凸起的玻璃基片4上。在玻璃基片4和光接收集成电路片5之间的间隙中充树脂。

虽然以上所描述的实施例是一种透射型编码器，但本发明可运用于反射型编码器，其中发光装置2是设置在第二部件3相对于主刻度1的相同侧。图9表示这种反射型编码器的结构。在设置有光接收集成电路片5的玻璃基片4上，光源侧上形成有一第一指示光栅91。另外，正如上述实施例的情况一样，共用作光接收侧上的第二指示光栅的光接收集成电路片5设置在玻璃基片4上。在该实施例中，从光源侧的指示光栅91到主刻度表面的距离a基本等于从主刻度表面到光接收表面的距离b。因此，可获得较好的性能。在这种情况下，发光装置2向主刻度发出漫射光。

另外，本发明可运用于这样一种装置，它具有一与摩尔***相对应的光学编码器，该摩尔***检测与刻度的移动相对应的、由彼此成预定角度的两个光栅所产生的摩尔条纹的位移。在这种情况下，如图10所示，在玻璃基片4上设置一光接收集成电路片5，它与第一和第二部件的相对移动方向成一个预定的角度θ。角度θ可以很容易地用一对准记号准确地设置。

另外，本发明可运用于上述的线性编码器以及一种旋转编码器。可以将单片式集成电路、具有由非晶硅膜构成的薄膜光接收装置的集成电路以及其它集成电路用作光接收集成电路片。

如上所述，按照本发明，由于光接收部分的光接收集成电路片是设置在玻璃基片上，该玻璃基片通过焊料凸起用倒装焊接法带有薄膜极，因此，光接收集成电路片与玻璃基片之间的间隙能够在小尺寸下进行精确地调节。这样，光接收集成电路的光接收表面与刻度之间的间隙能得以减小，并进行精确地设置。因此，可获得高性能和高可靠性的光学编码器。尤其是，按照本发明较佳的形式，在光接收集成电路片的许多光接收装置构成一个共用作指示光栅的光接收装置阵列的情况下，当指示器和光接收部分形成一体时，可获得一种小尺寸和高性能的光学编码器。

1996年10月28日申请的日本专利申请285541/96的所有揭示，包括说明书、权利要求、附图和概要，全面地援引在此供参考。

Claims

1.一种光学位移检测装置，包括：

一具有第一光栅的第一部件；将光发射到所述第一部件的第一光栅上的一发光装置；和

一具有第二光栅的第二部件，它通过一个间隙设置在所述第一部件的对面，使得所述第一部件和所述第二部件能够相对移动，用于接收由所述发光装置发出的、穿过第一光栅和第二光栅的光，从而检测所述第一部件和所述第二部件之间的相对位移，

其中，所述第二部件具有一透明的基片，该基片的前表面隔一间隙而与第一部件相对，其反面上设置有薄膜极，所述第二部件还具有一光接收片，该光接收片有一接收光的光检测装置和形成于该光接收片上的、与透明基片反面上的薄膜极相对应的焊料凸起，所述光接收片通过焊料凸起和薄膜极用倒装焊接法而设置在透明基片的反面，

第二光栅设置在透明基片和光接收片中的至少一个上；

其特征在于，在透明基片与光接收片之间的间隙中充以一透明树脂。

2.如权利要求1所述的光学位移检测装置，其特征在于，透明基片是一种玻璃基片。

3.如权利要求1所述的光学位移检测装置，其特征在于，所述光检测装置是一共用作第二光栅的光检测阵列。

4.如权利要求1所述的光学位移检测装置，其特征在于，还包括：

形成于所述第一部件上的一零点检测图案；和

形成于光接收片上的一检测零点检测图案的第二光检测装置。

5.如权利要求1所述的光学位移检测装置，其特征在于，还包括：

设置于光接收片上的一放大光检测装置的输出信号的放大器。

6.如权利要求1所述的光学位移检测装置，其特征在于，所述第二部件是设置在所述发光装置相对于所述第一部件的另一侧，它接收第一光栅的透射光。

7.如权利要求1所述的光学位移检测装置，其特征在于，所述第二部件是设置在所述发光装置相对于所述第一部件的同一侧，它接收所述第一部件的反射光。

8.如权利要求1所述的光学位移检测装置，其特征在于，光接收片是相对于所述第一部件与所述第二部件之间的移位方向而倾斜地设置于透明基片上。