CN100460824C - 光学编码器的光电探测器阵列布置 - Google Patents

光学编码器的光电探测器阵列布置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学编码器的光电探测器阵列布置。光学编码器利用光电探测器阵列，该光电探测器阵列具有至少两个表面积不同的光电探测器，这些光电探测器当同时被发光二级管照亮时，产生不同量的光电流。因为光电探测器在同时被照亮时产生不同量的光电流，所以光电探测器产生可以被用于标引诸如码盘之类的编码元件的明确结果。另一种光学编码器利用一个与索引轨道对准的索引光电探测器以及另一个与编码元件的位置轨道对准的索引光电探测器，以标引该编码元件。

Description

光学编码器的光电探测器阵列布置
技术领域
本发明涉及光学编码器。
背景技术
光学编码器被用于例如监测诸如曲轴之类的轴的运动。光学编码器可以在轴的位置和/或旋转数方面来监测轴的运动。光学编码器通常使用附着在轴上的码盘来在轴和码盘旋转时调制光。随着光通过含有透明区和不透明区图案的码盘上的轨道，光被调制。随着光响应于码盘的旋转而被调制，从接收了经调制光的光电探测器阵列产生一串电信号。这些电信号被用来确定轴的位置和/或旋转数。
码盘上分别的位置轨道和索引(index)轨道被用来确定位置和旋转数。位置轨道和索引轨道必须与相应的位置轨道和索引轨道光电探测器阵列精确对准，以获得可靠的结果。因为每个轨道都必须与其相应的光电探测器阵列对准，所以随着轨道数量的增加，对准任务变得更为困难。此外，光学位置编码器的一些应用要求更高分辨率的位置信息，这就要求更小的轨道和光电探测器阵列。更小的轨道和光电探测器阵列给对准任务增加了额外的难题。
发明内容
一种光学编码器使用光电探测器阵列，该光电探测器阵列具有至少两个表面积不同的光电探测器，所述光电探测器当同时被发光二级管照亮时，产生不同量的光电流。因为这些光电探测器在被同时照亮时产生不同量的光电流，所以光电探测器产生可以被用于标引诸如码盘之类的编码元件的明确结果。
另一种光学编码器使用一个与索引轨道对准的索引光电探测器以及另一个与编码元件的位置轨道对准的索引光电探测器，以标引编码元件。
结合以示例方式图示了本发明的原理的附图，从以下的详细描述，本发明的其他方面及优点将变的更加清楚。
附图说明
图1示出了用于测量轴的旋转运动的光学编码器系统。
图2示出了含有位置轨道和索引轨道的码盘的一部分。
图3示出了与码盘的各个位置轨道和索引轨道(例如图2中示出的位置轨道和索引轨道)相对应的位置轨道和索引轨道光电探测器阵列的一个实施例。
图4示出了与相应的码盘的各个位置轨道和索引轨道相关的图3的位置光电探测器阵列和索引光电探测器阵列。
图5示出了与索引轨道光电探测器阵列相关的索引轨道的两个位置，其中索引特征是透明的。
图6示出了与索引轨道光电探测器阵列相关的索引轨道的两个位置，其中索引特征是不透明的。
图7示出了含有线性位置轨道和索引轨道的线性编码元件的一个实施例，其中索引特征是透明的。
图8示出了与线性编码元件的各个位置轨道和索引轨道相关的位置光电探测器阵列和索引光电探测器阵列。
图9示出了与线性编码元件的位置轨道和索引轨道相关的位置光电探测器和索引光电探测器的一个实施例，其中索引光电探测器分布在索引轨道及位置轨道之间。
图10示出了与线性编码元件的位置轨道和索引轨道相关的位置光电探测器和索引光电探测器的另一个实施例，其中索引光电探测器分布在索引轨道与位置轨道之间。
以下说明中，类似的参考标号被用来标识类似的元素。
具体实施方式
图1示出了用于测量轴的旋转运动的光学编码器系统100。光学编码器系统包括马达110、轴112、码盘114和编码器116。码盘含有至少一个轨道(未示出)，编码器包括由至少一个发光二级管构成的光源118及与轨道对准的光电探测器阵列120。编码器还包括信号处理逻辑122，用于处理从光电探测器阵列输出的电信号以测量轴的旋转运动。马达、轴、码盘和编码器在光学位置编码器领域中是公知的。具体地，参见美国专利4,451,731、4,691,101及5,241,172，它们通过引用被结合于此。
图2示出了含有位置轨道124和索引轨道126的码盘114的一部分。位置轨道和索引轨道是与码盘同心的环形轨道。位置轨道包括始终围绕码盘的透明区128和不透明区130的连续重复图案。位置轨道对光调制，以测量码盘及轴112的位置改变。在图2的实施例中，位置轨道的透明区和不透明区具有相同的周向尺寸(也称为宽度尺寸)。透明区和不透明区的宽度尺寸(由跨度“x”指示)是希望的分辨率的函数。透明区和不透明区的径向尺寸(这里称为高度尺寸)(由跨度“y”指示)是产生足量光电流所要求的面积量的函数(例如，要求的光电流越大，则要求的面积越大，从而因为面积等于“x”乘“y”，所以需要“y”越大)。以下说明中，位置轨道的高度等同于位置轨道的透明区的高度。如本领域熟知的，位置轨道可以使用其他透明区和不透明区的图案来调制光。
图2中所示的索引轨道126是含有至少一个作为索引特征的不透明区134的主要透明的轨道。索引轨道被用于测量码盘和轴的旋转。例如，索引轨道可以被用于指示旋转的结束和/或用于计数旋转数。如本领域所知，索引轨道可以利用其他透明区和不透明区的图案来调制光。例如，索引轨道可以是包括至少一个作为索引特征的透明区的主要不透明的轨道。索引特征的径向尺寸和周向尺寸(这里也分别称为高度尺寸和宽度尺寸)是光敏面积和分辨率的函数。在以下说明中，索引轨道的高度等同于透明区136或索引轨道区的高度。以下将更详细地描述使用索引轨道来测量旋转。
图3示出了与码盘的各个位置轨道和索引轨道124和126(例如图2中示出的位置轨道和索引轨道)相对应的位置轨道和索引轨道光电探测器阵列140和142的实施例。位置轨道光电探测器阵列包括与相应的位置轨道(位置轨道由虚线124指示)对准的一系列光电探测器144。每个光电探测器都具有相同的表面积及相同的径向尺寸(这里也称为高度尺寸)。需要注意的是，光电探测器的侧边缘基本上沿着从码盘的中心辐射的线。
图3所示的位置轨道光电探测器144以A、B、A/、B/的重复图案被标记，其中“A/”读作“A杠”，“B/”读作“B杠”。光电探测器及由光电探测器产生的相应的电信号的这种指定是本领域熟知的。位置轨道光电探测器的周向尺寸(也被称作宽度尺寸)与相应的位置轨道的透明区和不透明区的宽度尺寸相关。在图3的实施例中，每个位置轨道光电探测器的宽度是相应的位置轨道的透明区和不透明区的宽度的一半。
索引轨道光电探测器阵列142包括与相应的索引轨道(索引轨道由虚线126指示)对准的中心光电探测器146和两个侧光电探测器148。侧光电探测器的位置直接与中心光电探测器相邻。中心光电探测器被标记为“I/”，读作“I杠”，侧光电探测器被标记为“I”。光电探测器及由光电探测器产生的相应电信号的这种指定是本领域熟知的。在图3的实施例中，中心光电探测器具有比两个侧光电探测器的组合的表面积更大的表面积。中心光电探测器具有比两个侧光电探测器的组合的表面积更大的表面积，使得随着码盘旋转，索引轨道的索引特征可以被容易的识别。后面将参考图5及图6详细描述不同的表面积对识别索引特征的影响。
图4示出了图3的与相应的码盘的各个位置轨道和索引轨道124和126相关的位置光电探测器阵列和索引光电探测器阵列140和142。参考位置轨道，码盘包括分别是透明区和不透明区128和130的图案。如上所述，每个透明区和不透明区的宽度尺寸与两个光电探测器144的组合的宽度相同。在图4中，位置轨道的透明区和不透明区与位置轨道光电探测器144对准，以清楚地图示光电探测器的尺寸与位置轨道的特征之间的关系。
对于索引轨道126，码盘的索引轨道部分除了一个不透明区134(即，索引特征)之外，都是透明区136。在图4的实施例中，索引特征的宽度与中心光电探测器146的宽度相同，并且这两个元件周向对准，以清楚地图示尺寸关系。
位置轨道124和相应的光电探测器阵列140的操作涉及随着码盘旋转对光进行调制，以及在光电探测器144处检测光。与位置轨道相关的光电探测器的物理布局使得所产生的电信号彼此90度地被相移。信号被成对组合以形成正交推挽信号。这种操作在美国专利4,691,101中被详细描述，其通过引用被结合于此。
参考图5和图6描述索引轨道126和相应的光电探测器阵列142的操作。图5示出了与索引轨道光电探测器阵列相关的索引轨道的两个位置。在图5的实施例中，索引轨道是主要透明的，具有与光电探测器阵列的中心光电探测器146宽度尺寸相同的不透明特征134。此图还示出了与光电探测器阵列相关的信号通道150和152以及处理逻辑154(如，比较器)。在位置A，索引轨道的不透明索引特征与中心光电探测器对准。当不透明索引特征与中心光电探测器对准时，来自光源(未示出)的光被阻挡以避免击中中心光电探测器，因此由两个侧光电探测器148产生的光电流的量大于由中心光电探测器产生的光电流。从两个侧光电探测器和中心光电探测器产生的光电流在比较器处被连续地互相比较。比较器输出信号，指示哪种光电探测器(“I/”或“I”)输出了最大的光电流。
在图5的实施例中，当索引特征处于位置A时，光电流I比光电流I/大，从比较器输出逻辑“1”。当索引特征处于位置B(例如，不阻挡光击中光电探测器阵列)时，光电流I比光电流I/小，从比较器输出逻辑“0”。在位置B处，因为中心光电探测器的表面积比两个侧光电探测器的组合的表面积更大，所以光电流I/比光电流I大。如果I/光电探测器的表面积并不比I光电探测器的组合的表面积更大，则当I及I/光电探测器被同时照亮时，编码器可能产生不确定的结果。通过监测比较器的输出，监测了码盘和轴的旋转。
图6示出了与索引轨道光电探测器阵列142相关的索引轨道126的两个位置。在图6的实施例中，索引轨道是主要不透明的，具有与光电探测器阵列的中心光电探测器146宽度尺寸相同的透明索引特征156。此图还示出了与光电探测器阵列相关的信号通道150和152以及处理逻辑154(例如，比较器)。偏压158被施加给用于侧光电探测器148的信号通道(例如，信号通道152)。在位置A处，索引轨道的透明索引特征与中心光电探测器对准。当透明索引特征与中心光电探测器对准时，来自光源(未示出)的光主要击中中心光电探测器，因此由中心光电探测器产生的光电流的量比由两个侧光电探测器产生的光电流大。
当索引特征处于位置A时，因为光电流I/比光电流I大，所以从比较器输出逻辑“1”。当索引特征在处于位置B(例如，没有光击中光电探测器阵列)时，因为施加到I信号上的偏压，光电流I比光电流I/大。结果，从比较器输出逻辑“0”。在此情况下，施加到I信号上的偏压使得I光电流大于I/光电流，而不论中心光电探测器具有比两个侧光电探测器的组合的表面积更大的表面积的事实。通过监测比较器的输出，可以监测码盘和轴的旋转。尽管透明索引特征的宽度与中心光电探测器的宽度相同，但是透明索引特征的宽度也可以被增加，直到光电探测器阵列的总宽度，而仍然提供所需的响应。
尽管图5及图6利用了光电探测器表面积的不同以产生不同的输出信号，但是也可以通过“I”光电探测器的不透明部分，或者通过相比于“I/”光电探测器(例如，中心电探测器146)，减小入射到“I”光电探测器(例如，两个侧光电探测器148)上的光的量，以产生不同的输出信号。一般原理是：当索引轨道光电探测器阵列被同等地照亮时，光电流“I/”要高于光电流“I”。
如这里使用的，术语“轨道”包括编码元件或码盘的不透明区和透明区两者。
尽管在测量旋转运动方面描述了光学编码器系统100及相应的码盘114，但是相同的原理还可以应用于测量线性运动。图7示出了包括线性位置轨道和索引轨道124和126的线性编码元件160的实施例。尽管在图2至图6中使用码盘描述了位置轨道和索引轨道以及相应的光电探测器阵列，但是相同的原理也可以应用于线性编码元件。此外，在图3至图6中示出的光电探测器阵列可以被制成线性的，而非弯曲的。图8示出了与线性编码元件的位置轨道和索引轨道相关的位置光电探测器阵列和索引光电探测器阵列。
在另一实施例中，被用于索引的光电探测器阵列分布在索引轨道与位置轨道之间。例如，索引光电探测器146和148的至少一个与位置轨道光电探测器阵列相集成。图9示出了与线性编码元件的位置轨道和索引轨道124和126相关的位置光电探测器和索引光电探测器的实施例。在图9的实施例中，I/光电探测器146位于B/与A光电探测器之间，并具有与位置轨道的不透明区130和透明区128的组合的宽度相等的宽度尺寸。在操作中，I/光电探测器将总是被照亮一半，而只有当索引特征134(例如，索引轨道的索引窗)通过I光电探测器时，I光电探测器148才被照亮。当索引轨道的不透明区136覆盖I光电探测器时(未示出)，来自I/光电探测器的光电流比来自I光电探测器的光电流大(例如，I/>I)，从相应的比较器的输出是逻辑低。但是，当索引轨道的索引特征暴露给I光电探测器的比位置轨道暴露给I/光电探测器的更多时，来自I光电探测器的光电流比来自I/光电探测器的光电流大(例如，I>I/)，从相应的比较器的输出是逻辑高。
需要注意的是I/光电探测器146不需要在索引点被照亮一半。例如，位置轨道可以被设计为在索引点完全覆盖I/光电二极管。在不规则宽的不透明区通过位置光电探测器阵列时，这样做在位置轨道中产生一些误差。但是，如果有足够的A、B、A/和B/光电探测器的循环，误差可以被平衡掉(average out)。图10中示出了另一种编码元件设计，其含有一个额外长的不透明区，并依靠光电二极管的多个循环以平衡掉误差。在图10的实施例中，位置轨道的应该是透明的一个区实际上是不透明的。此外，位置轨道和索引轨道124和126被构成使得当索引轨道的透明区的一个边缘与I光电探测器148的一个边缘对准时，在I/光电探测器146之上的不透明区的相对边缘与I/光电探测器的一个边缘对准。在此结构中，当一个索引光电探测器将被露出时，其他的光电探测器正好将被阻挡。
通过改变I/与I光电探测器之间的相对表面积，可以获得不同的索引脉冲宽度。在图9及图10的实施例中，I/与I光电探测器的位置以及编码元件的照亮区和不透明区可以交换，以在索引点产生逻辑高或逻辑低。而且，与位置轨道相对的I与I/光电探测器的位置可以被操控以设置索引信道将触发时的点。图9及图10的实施例可以被应用于码盘，以测量旋转运动。
在图2至图10的实施例中，尽管索引光电探测器的中心光电探测器146和位置光电探测器144的宽度尺寸与各个位置轨道和索引轨道124和126的区域的宽度尺寸相匹配，或者与其多倍匹配，但是在位置光电探测器阵列和索引光电探测器阵列两者中的光电探测器的高度尺寸小于各个轨道的透明区的高度尺寸。如图4所示，位置轨道光电探测器的高度小于位置轨道的高度，索引轨道光电探测器的高度小于索引轨道的高度。光电探测器的高度尺寸比相应的轨道的透明区的高度尺寸小，以便在光电探测器阵列与相应的轨道之间提供对准公差。因为径向未对准可能使得光电探测器仅被部分照射，从而引起由于被部分照射的光电探测器而产生的不当低的光电流，所以轨道与光电探测器阵列之间的对准是重要的。不当低的光电流可能触发索引信号被错误的发出多次或者根本不发出。由光电探测器的小的高度尺寸提供的对准公差使得光电探测器和轨道能够承受一定程度的径向未对准，而不会不利地影响光电流的产生。在现有的编码器系统中，光电探测器的高度尺寸与相应的轨道相同，结果，在光电探测器与轨道之间的任何径向未对准都可能引起得到的光电流的不利改变。尽管光电探测器的高度尺寸被描述为小于轨道的高度，但这并不是必须的。
在本实施例中，轨道124和126与各个光电探测器阵列140和142被径向对准，使得光电探测器处于相应轨道的中间。例如，如图4所示，光电探测器阵列位于各个轨道的中间。在相应轨道的中间，径向对准各个光电探测器阵列平衡了在光电探测器阵列两侧的对准公差。
尽管已经描述和图示了本发明的具体实施例，但是本发明并不限于如此描述和图示的部件的特定形式及布置。本发明的范围由所附的权利要求及其等同物界定。

Claims (16)

1.一种光学编码器，包括：
编码元件，所述编码元件具有带有至少一个透明区的轨道；
发光二级管，所述发光二极管被安置以输出光至所述轨道；和
光电探测器阵列，所述光电探测器阵列被安置以检测穿过所述轨道的所述透明区的光，所述光电探测器阵列包括第一和第二光电探测器，所述第一和第二光电探测器具有不同的表面积，以及允许整个所述光电探测器阵列被穿过所述编码元件的所述透明区的光同时照亮的组合的宽度尺寸。
2.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述第一和第二光电探测器在被所述发光二级管同时照亮时产生不同量的光电流。
3.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述编码元件的所述轨道含有宽度尺寸与所述第一光电探测器的宽度尺寸相匹配的不透明区。
4.根据权利要求1所述的光学编码器，还包括第三光电探测器，其中，所述第一光电探测器的表面积大于所述第二和第三光电探测器的组合的表面积。
5.根据权利要求4所述的光学编码器，其中，当所述第一、第二和第三光电探测器被同时照亮时，所述第一光电探测器产生比所述第二和第三光电探测器的组合更大的光电流。
6.根据权利要求4所述的光学编码器，其中，所述第二和第三光电探测器定位为与所述第一光电探测器的两侧相邻。
7.根据权利要求6所述的光学编码器，其中，所述编码元件含有具有宽度尺寸与所述第一光电探测器的宽度尺寸相匹配的不透明区。
8.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述轨道是索引轨道，并且其中，所述编码元件含有具有多个透明区的位置轨道，所述光学编码器还包括位置轨道光电探测器阵列，所述位置轨道探测器阵列被安置以检测穿过所述位置轨道的所述透明区的光。
9.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述轨道包括带有至少一个不透明区的主要透明的轨道。
10.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述轨道包括带有至少一个透明区的主要不透明的轨道。
11.一种用于指示轴的旋转运动的光学编码器，包括：
码盘，所述码盘具有带有至少一个透明区的索引轨道；
发光二级管，所述发光二极管被安置以输出光至所述轨道；和
索引光电探测器阵列，所述索引光电探测器阵列被安置以检测穿过所述索引轨道的所述透明区的光，所述索引光电探测器阵列包括第一和第二光电探测器，所述第一和第二光电探测器具有不同的表面积，以及允许整个所述索引光电探测器阵列被穿过所述码盘的所述透明区的光同时照亮的组合的宽度尺寸。
12.根据权利要求11所述的光学编码器，其中，所述第一和第二光电探测器在被所述发光二级管同时照亮时产生不同量的光电流。
13.根据权利要求11所述的光学编码器，其中，所述码盘的所述索引轨道含有宽度尺寸与所述第一光电探测器的宽度尺寸相匹配的不透明区。
14.根据权利要求11所述的光学编码器，还包括第三光电探测器，其中，所述第一光电探测器的表面积大于所述第二和第三光电探测器的组合的表面积。
15.根据权利要求14所述的光学编码器，其中，当所述第一、第二和第三光电探测器被同时照亮时，所述第一光电探测器产生比所述第二和第三光电探测器的组合更大的光电流。
16.根据权利要求14所述的光学编码器，其中，所述第二和第三光电探测器定位为与所述第一光电探测器的两侧相邻，并且其中，所述编码元件含有宽度尺寸与所述第一光电探测器的宽度尺寸相匹配的不透明区。
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