專利名稱：反射傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種反射傳感器，其將光發射元件發射的光照射在被測 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：
圖23是示出相關技術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芯片形成的光發射元件1發射， 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 半導體器件的^射元件l和光接收元件3被貼片粘結(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構成。在日本未決專利公開No. 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中公開的相關技術 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上以預定形狀形成電路圖案12a。具有M射區13a的M射元件13 以及具有光接收區14a并包括信號處理電路的光接收元件14被貼片粘 結于電路圖案12a。 M射元件13和光接收元件14的每一端通過導線 15連接。
M射元件13、光接收元件14和導線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射元件13和光接收元件14的高度。通過考慮導線 15的環高度和將光學半導體組件固定于襯底12的邊緣確定包圍層16的 厚度。
如圖26和27所示，在光發射元件13和光接收元件14的幾乎中間 點處形成光防護墻18。在緊接光防護墻18的正下方設置電路圖案 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，以保護襯底12上的電路圖案12a。
提供光防護墻18以防止從光發射元件13的M射區13a發射的光 透過包圍層16傳播并iiX光接收元件14的光接收區14a。
對于置于光發射元件13和光接收元件14之間的光防護部件，在通 用器件(例如反射傳感器和反射光中斷器)已經提出了各種方法，這些 方法中的一些在下列文獻中有所公開，日本未決專利No, 、日本專利No. 3782489和日本專利No. 3261280。
在相關技術的反射編碼器和反射傳感器的半導體封裝中已經發現有 下列問題。例如，在圖25中，包^、在角度范圍ei中的光線對應于經由 反射刻度板2從光發射元件1的光發射區引向光接收元件3的光接收區 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 發射元件1發出的所有光線的一小部分。因此，大部分光線是無效分 量，引發光利用效率極低的問題。
圖28示出圖25的局部放大圖。當注意封裝中的光發射元件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，其由光發射元件 1發射，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、光發射元件1
和光接收元件3之間的位置變化而引發的傳感器性能的變化。
很容易想到增加光接收元件3的光接收區的面積來增加有效反射光 線的比例。但是，較大的光接收區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，較大的光接收區增加了檢測頭7的尺寸，并由于必然增加 了成本而造成經濟方面的缺點。
還可以想到增加由光發射元件1發射的光量的方法，來補充到達光 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行信號放大，但是這增加了電噪聲分 量，影響位置檢測的準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、由光發射元件l發射更 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的 方法不能實現性能方面的顯著提高，或增加性能的變化。
圖26和27所示的光防護器件的使用可以防止上&目關技術中的問 題之一的光的偏離分量，并實現一定程度的改善。如圖29的圖形所 示，當使用光防護部件時，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，實際上應當避免在 這樣近的距離處使用反射傳感器，因此需要額外的空間區域。
由于充當光防護部件的光防護體位于光發射元件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之間必須設置大
的間隔。這增加了安裝元件的區域，阻礙了反射傳感器尺寸的減小。此 外，使用光防護部件必然增加成本。

發明內容
本發明提供一種反射傳感器，其防止由光源發射的發散光被封裝及 其外側之間的界面全反射并進入光接收元件，而無需使用光防護器件，
這使得S/N比提高并降低性能變化。
根據一個方面，本發明提供一種反射傳感器，包括置于表面上的光 發射元件和光接收元件、以及覆蓋所述光發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^面與光發射元件隔開的光接收區， 所述光接收區距離所述光發射元件比所述表面上由透光部件及其外側之 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域更近。
根據另一方面，本發明提供一種反射傳感器，包括置于表面上的光 發射元件和光接收元件、以及覆蓋所述光發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射元件的光發射區的中心起半徑 為R的圓周中的表面上的光接收區，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的折射率，Dl代表從M射元件的光發射 區到所述界面的距離，D2代表從光接收元件的光接收區到所述界面的 距離。
根據本發明的再一方面，本發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，根據下面對優選實施例的描述，本發明的其它目的和特 征將顯而易見。


圖l是示出本發明的實施例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內部反射光和有效光之間的關系的圖。 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 關技術中反射編碼器的間隔特性的圖。
圖15示出本發明的實施例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是示出相關技術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是示出相關技術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示出針對相關技術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明的優選實施例。 (實施例1)
圖1是示出本發明的實施例1的Jl射編碼器的配置的示意圖。將其 上以規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)，并在對應于設置條紋的方向 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實現的半導體器件、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上設置
包括交替形成的充當光吸收部分的非>^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膜構成的反射層32a 的下表面上形成由蒸鍍薄膜構成的反射層32b。如圖3所示，通過由透 明粘合劑構成的粘合層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由具有電流限制結構的點光源紅色 LED形成，并包括具有直徑大約為80nm的圓形光發射窗的有效光發射 區Sl。 LED的發射波長為650 nm。
作為防止光發射元件23發射的光直接ii^光接收元件24的光接收 區的對策，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射元件23在發射光的強度分布 上明顯不同。典型LED芯片T在水平方向發射大量光，因此一些光有 可能直接i^v光接收區。相反地，電流限制類型的光發射元件23只向 前發射光線，因此光不大可能直接iiX光接收區。
如圖4所示，光-IC芯片26置于^iL射元件23附近。光-IC芯片 26包括對應于靠近光發射元件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S2。在光接收區S2中，在水平方向以規則 的間距設置16個光電二極管24a、 24b、 24c、 24d…24m、 24n、 24o和 24p以充當光接收元件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光量輸出光電 流。當反射刻度板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^/電壓轉換器將輸出 電流轉換為電壓，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并示出光發射元件23的光發射電路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生的光電流轉換為電壓，并相對于電 勢Vfl分別產生電勢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統計相位A ( VA=Va+Vf2 )或相位B (VB=Vb+Vf2)的輸出信號的波峰數，并確定已經過的通過從反射刻 度板21反射和折射的光在光接收區S2上形成的干擾帶的數量。干擾帶 的節距(pitch)與所統計的數量相乘以計算反射刻度板21的移動量。
可以根據相位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構成覆蓋光發射元件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構成反射編碼器的封裝。 來自M射元件23的發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之間設置有間隔G。當由 Ps表示反射刻度板21的節距時，在光接收區S2上形成具有二倍于節 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的移動相關的干擾帶移動轉換為相位A和B的模擬信 號作為位移信號。
圖7示出由光發射元件23發出的光線中，與實施例1相關的典型 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 導向光接收區S2的光線。光線L0對應于提供傳感器信號的有效光。
光線La由光發射元件23發射、由界面53全反射、并透過所述封 裝傳播。與上述充當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當被接收。如果光線La進入光 接收區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，而不到達反射刻度板21,因此 光線Lb幾乎不影響測量準確性等。
在實施例1中，為了防止不必要的光線La到達光接收元件24，根 據用作參考位置的光發射元件23的光發射區Sl確定光接收元件24的 光接收區S2的位置。
具體地，將光接收元件24的光接收區S2設置為比M射元件23 發射的所有光線中由界面53全反射并接著被導向光接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，光發射區Sl位于亮度分布的中央的白色方塊位置處。 光接收區S2由其左側的虛線示出。在亮度分布圖中，白色部分的亮的 環形部分表示由于從界面53反射的光線的高亮度區域，而黑色部分的 暗的部分表示低亮度區域。高亮度區域分布在以光發射元件23的光發 射區S1為中心的環形中。
圖8B示出在包括光發射元件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射區Sl的中 心起半徑為Ri的圓周中存在低亮度區域。將光接收區S2置于低亮度區 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 防護器件。以此方式，將光接收區S2置于上述低亮度區域中可以提供 具有高S/N比的來自對象的有M射光線，而無需使用相關技術中所用 的光防護器件。
在圖8B，不僅可以將光接收區S2置于從界面53以高強度全反射 的光形成的環形區域的內側上(<Ri),還可以置于高亮度區域的外側 (>Ri)，以避免高亮度區域的布置。
光接收區S2的布置條件可以用基于封裝的主要尺寸的表達式所表 示。圖7中密封樹脂51的折射率表示為Ni，封裝的外部區域，即透光 部件的外部中的介質的折射率表示為No，光發射區Sl和界面53之間 的距離表示為Dl，光接收區S2和界面53之間的距離表示為D2，全反 射區域的半徑為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處表現出 最大值，因此這樣確定光接收區S2的布置條件，以便它應該置于亮度 波峰位置的內側。當利用全反射射光強度的大約15%作為閾值確定可布置 區域時，光接收區S2可布置的圓形區域的半徑Ri由下列表達式(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
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 靠近光發射元件23的主光線軸的光線。為此，將光接收區S2更靠近光
發射區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中采用的方案適當地確定下列條件，以d更就上 述原因盡可能地將光發射區Sl和光接收區S2靠近，并使得光接收區 S2位于半徑Ri的范圍內，而不是置于環形高亮度區域中
相對于光發射元件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S2的布置； 光接收區S2的形狀和面積；和 界面53的材料的折射率。
實施例1中數值的具體實例包括D1-D2-0.70 mm， Ni-1.54 (環 氧樹脂)，和No-l.OO (空氣)。根據這些值，Ri基本上等于1.05 mm。 光接收區S2的形狀為0.5 mm乘1.0 mm的矩形。光發射元件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形高亮度區 域內部，以拔^供具有高S/N比的傳感器信號。
圖11A-11D示出當實施例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示出在連接光發射區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。曲線示出當使用反射刻度板 21和檢測頭22之間的間隔G為參數時的結果。
根據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，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，在傳統的包括光防護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可以提供具有相當高的光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示出傳統的包括光防護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別的圖。如示出相關技術的圖14A中 的圖所示，在相關技術中，當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，實際上應當避免在 這樣近的距離范圍內使用反射傳感器，所以需要額外的空間區域。
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射元件23的光軸的光線，因 此與相關技^M目比，光的使用效率提高了。實施例1不涉及由相關技術 中包括的光防護部件造成的光阻擋，使得在近間隔范圍中有效信號區域 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 需使用光防護部件，并且可以顯著改善近間隔區域內反射刻度板21和
檢測頭22的性能。此外光發射元件23和光接收元件24相互間比相關 技術更為靠近，以提高光的使用效率，從而使得光發射元件23的能量 消耗降低。而且，實施例1同時實現了小型化、品質穩定和低價格。 (實施例2 )
圖15是示出本發明的實施例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 由全反射光產生的環形高亮度區域的半徑Rmax有所增加。具體地，設 Dl和D2為O.卯mm, Ni為1.54 (環氧樹脂)，和No為1.00 (空 氣)。根據這些值，Ri基本上等于1.45mm。
結果，如圖16的亮度分布圖中所示，和實施例1相比，可以設置 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 S2的面積可以增加。例如，在此情況下，光接收區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射元件側的高度D1和光 接jjtit件側的高度D2具有不同值。具體地，設Dl為0.3 mm， D2為 0.7 mm， Ni為1.54 (環氧樹脂)，和No為1.00 (空氣)。根據這些值， Ri基本上等于0.85 mm。
在實施例3中，光發射元件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S2設置于全反射光不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S2 i殳置于允許圓 周內。但是，在此情況下，可以將光接收區S2設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S2設置于光接收元件24之上，并且不 用嚴格限制光接收區S2的尺寸。考慮到這些點，可以以將光接收區S2 設置于允許圓周內的實施例1和2所不可能的方式設置光接收區S2。
(實施例4)
圖20是示出本發明的實施例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，光發射元 件側的高度Dl和光接收元件側的高度D2具有不同值。具體地，設Dl 為0.3 mm， D2為0.7 mm， Ni為1.54 (環氧樹脂)，和No為1.00 (空 氣)。根據這些值，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雜的亮度分 布。可以將光接收區S2設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S2的形狀有所變化。 至于界面53的高度，光發射元件側的高度Dl和光接收元件側的高度 D2具有相同值。具體地，設D1為0.7 mm, D2為0.7 mm， Ni為1.54 (環氧樹脂)，和No為1.00 (空氣)。根據這些值，Ri基本上等于1.05 mm。
當將光接收區S2設置于半徑Ri內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中可以實現各種形狀的界面53。不考慮界面53的形狀， 可以改變光發射元件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S2。
根據上述實施例1-5的反射傳感器，可以獲得下列效果。
(1)由于在光發射元件和光接收元件之間不需要光防護部件，因 此，可以將光發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，并消除由于光防護部件造成的性能變化。
(2 )因為減少了用于提供光防護功能的必要步驟和降低了封裝尺 寸，因此生產效率得到極大提高，可以降低制造成本，并顯著提高品質 和可靠性。
(3) 光發射元件和光接收元件的彼此靠近安裝允許接收光發射元 件發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，并降低了光發射元件的驅動電流，以便 有利地實現低能耗。
(4) 與使用光防護部件的相關技術相比，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。
已經主要結合反射編碼器描述了實施例1-5，在本發明的替代實施 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 相機的透鏡系統的配置。圖30示出這樣的配置，其中通過使用音圏致 動器驅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。關于聚焦狀態的信息也經由讀取電路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 過每個音團的電流值或其波形，并經由驅動器829和828使電流分別通 過線圍816a和816b。由此系統，變倍透鏡801b和聚焦透鏡801d的位
置得以控制，以便保持對焦狀態。
為了實現如上述實例所述的使用音圍致動器的視頻透鏡系統，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的尺寸減小，光學系統(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， 一種其中用光學元件與透鏡保持部件和例如 PSD的光電轉換元件一起移動實現位置檢測。
通過使用實施例1-5中所述的>^射傳感器可以實現所述編碼器，以 實現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。 (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 頭的驅動。
在圖31中，附圖標記701表示外殼，505表示容納打印頭、墨盒等 的滑架單元。附圖標記705表示導桿，703表示用于饋送紙張的驅動電 機，702表示驅動軸上的齒輪，704表示內嚙合齒輪。附圖標記603表 示安裝在主饋送輥軸上的齒輪。用于檢測旋轉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與導桿705平行 延伸，并且其另一端經由片簧(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。它們與用于驅動噴墨頭的驅動 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角度的旋轉編碼器。圖33是該打印機的側視 圖。圖33示出安裝在主紙張饋送輥驅動齒輪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編碼器刻度板的尺寸減小到這樣的 程度，即它比驅動齒輪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。
雖然已經參考實施例描述了本發明，但是應當理解本發明不局限于 所公開的實施例。權利要求的范圍符合最寬的解釋，以便涵蓋所有變 化、等同結構和功能。
此外，本發明不局限于這些優選實施例和各種變化，可以進行修改 而不脫離本發明的范圍。
本發明要求享有下列文件的國外優先權日本專利申請No. ，申請日為2006年7月19日，在此通過引用將其全文并入。
權利要求
1、一種反射傳感器，包括置于表面上的光發射元件和光接收元件；和覆蓋所述光發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射元件隔開的光接收區，所述光接收區距離所述光發射元件比所述表面上由透光部件及其外側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域更近。
2、 根據權利要求1的反射傳感器，其中所述光發射元件由具有電 流限制結構的LED形成。
3、 根據權利要求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、 根據權利要求1的反射傳感器，其中所述光接收區為扇形或弧形。
5、 一種包括根據權利要求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射元件的光發射區的中心起半 徑為R的圓周中的表面上的光接收區，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的折射率，Dl代表從M射元件的光發射 區到所述界面的距離，D2代表從光接收元件的光接收區到所述界面的 距離。
7、 根據權利要求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、 一種包括根據權利要求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
本發明公開了一種反射傳感器，其防止來自光源的發散光被封裝及其外側之間的界面全反射并進入光接收元件，而無需使用光防護器件，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射元件和光接收元件、以及覆蓋所述光發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射元件隔開的光接收區，所述光接收區距離所述光發射元件比所述表面上由透光部件及其外側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 優先權日2006年7月19日
發明者井垣正彥, 熱田曉生 申請人:佳能株式會社