CN101403626B - 光电二极管阵列、光电二极管检测系统和光学编码器 - Google Patents

光电二极管阵列、光电二极管检测系统和光学编码器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电二极管阵列、光电二极管检测系统和光学编码器。用于光学编码器的光电二极管检测器阵列包括光电二极管序列，该光电二极管序列在相邻的光电二极管之间具有在第一节距和第二节距之间交替的节距，其中第二节距不同于第一节距。

Description

光电二极管阵列、光电二极管检测系统和光学编码器
技术领域
本发明涉及一种用于光学编码器的光电二极管阵列、一种光电二极管检测系统以及一种光学编码器。
背景技术
编码器被用来测量角位移或线位移。光学编码器包括排列在检测面中的光电二极管阵列，用于检测表示出编码器部件的相对运动(例如旋转和直线运动)的增量信号。光学编码器包括光源、标度指数构件(sca1e index member)(诸如有槽的或有刻度的码盘)并且包括光电二极管的阵列。有刻度的码盘包括交替的透明区和不透明区，这些透明区和不透明区以确定的固定码盘节距周期性地被排列。在旋转式编码器中，码盘通常被耦合到转轴，并且相对于光源和光电二极管阵列运动。
通过标度指数构件或码盘，光从光源被导向光电二极管阵列。当码盘在角度编码器的情况下旋转或在线性编码器的情况下线性运动时，来自光电二极管阵列的输出信号变化。这些变化的输出信号被用来测量角位移或线位移。
编码器的分辨率是指编码器对位移有多敏感并取决于离散测量点之间的位移量。具有较高分辨率的编码器比具有较低分辨率的编码器允许更精确的位移测量。由于制造局限性，诸如各个光电二极管的最小宽度以及相邻的(即直接相邻的)光电二极管之间的最小距离，增加分辨率会变得复杂。例如，在某些制造约束条件下，也许不可能制造出节距小于例如9μm的二极管。
被公布的英国专利申请2353810涉及一种位移测量设备。为了容纳更紧密组装的光电二极管(并且因此增加分辨率)，光电二极管被淀积到两个或多个分开的层中的衬底上，其中相邻的光电二极管被淀积在不同的层中。这种工艺可允许相邻光电二极管比如果光电二极管已被全部淀积在同一层中更紧密地被间隔。然而，制造这样的设备要求复杂的传感器制造技术、额外的层和互连，因而导致制造成本增加。
发明内容
根据本发明的实例实施例，用于光学编码器的光电二极管检测器阵列包括：光电二极管序列，其在相邻的(即直接相邻的)光电二极管之间具有在第一节距和第二节距之间交替的节距，第二节距大于第一节距。
可满足以下等式：
第二节距＝第一节距*((3+4i)/(2+4i))，i表示大于或等于0的整数。
第二节距可为第一节距的1.5倍。
可满足以下等式：
第二节距＝第一节距*((2+4i)/(1+4i))，i表示大于或等于0的整数。
第二节距可为第一节距的1.2倍。
光电二极管阵列可包括多个通道，并且每个通道可包括第一互补光电二极管和第二互补光电二极管。
第一互补光电二极管和第二互补二极管中的每个可以以第三节距重复，并且第三节距可以：(a)在第一节距的4倍和第一节距的6倍之间交替，(b)在第一节距的倍和第一节距的
Figure GSB00000818235000022
倍之间交替或者(b)在第一节距的5.6倍和第一节距的3.2倍之间交替。
根据本发明的实例实施例，用于光学编码器的光电二极管检测器系统可包括：具有光电二极管序列的光电二极管检测器阵列，该光电二极管序列在相邻的(即直接相邻的)光电二极管之间具有在第一节距和第二节距之间交替的节距，第二节距大于第一节距；以及被配置来将光导向光电二极管的标度指数构件。
标度指数构件可为码盘。
标度指数构件可包括具有槽距的槽，并且槽距可为第一节距的两倍。
标度指数构件可包括具有槽距的槽，并且槽距可为第一节距的4/5。
应意识到的是，光电二极管检测器系统的光电二极管检测器阵列可具有在此描述的光电二极管检测器阵列的特征中的任何一个或多个特征。
根据本发明的实例实施例，光学编码器包括：光源；包括光电二极管序列的光电二极管检测器阵列，该光电二极管序列在相邻光电二极管之间具有在第一节距和第二节距之间交替的节距，其中第二节距大于第一节距；以及被配置来将光从光源导向光电二极管的标度指数构件。
应意识到的是，光学编码器的光电二极管检测器阵列可具有在此描述的光电二极管检测器阵列的特征中的任何一个或多个特征。
附图说明
本发明的实例实施例的进一步细节和方面在下面参考附图被更详细地描述。
图1是常规光电二极管检测器阵列的俯视图。
图2是图1中示出的光电二极管阵列的俯视图，从而进一步示出了根据现有技术的标度指数构件的槽的位置。
图3是与图1的光电二极管检测器阵列相关联的模拟和数字输出信号的图示。
图4是根据本发明的示例性实施例的光电二极管检测器阵列的俯视图。
图5是图4中示出的光电二极管检测器阵列的俯视图，从而进一步示出了标度指数构件的槽的位置。
图6是根据本发明的示例性实施例的光电二极管阵列的俯视图。
图7是图6中示出的光电二极管检测器阵列的俯视图，从而进一步示出了标度指数构件的槽的位置。
图8是根据本发明的示例性实施例的光电二极管阵列的俯视图。
图9是图8中示出的光电二极管检测器阵列的俯视图，从而进一步示出了标度指数构件的槽的位置。
图10是与图4到9的光电二极管检测器阵列相关联的模拟和数字输出信号的图示。
图11是编码器系统的一部分的侧视图。
具体实施方式
图1是常规光电二极管检测器阵列10的俯视图。光电二极管检测器阵列10包括四个光电二极管3A、4A、3B、4B的重复段的模式(pattern)。光电二极管包括两对互补光电二极管，第一对包括光电二极管3A和3B，而第二对包括光电二极管4A和4B。输出排列(arrangement)11包括四个离散的输出信号，针对被包括在每个重复段中的四个光电二极管3A、4A、3B、4B的每个光电二极管有一个离散输出信号。重复段的每个输出信号被串联连接到其它段的相对应的输出信号。光电二极管3A、4A、3B、4B的位置由相邻光电二极管之间的恒定的光电二极管节距14(中心到中心的距离)来限定。这就是说，每个相邻光电二极管对之间的距离是相同的。在每个相邻光电二极管之间是间隙15。
图2是图1中示出的光电二极管阵列10的俯视图，从而进一步示出了码盘的标度。在图2中，标度由槽18表示。这些槽18可为例如码盘中的开口、码盘的交替的不透明区/透明区、码盘的交替的反射区/非反射区等等。这些槽将光从光源导向光电二极管3A、4A、3B、4B。所述槽18根据码盘节距20被定位，在这个例子中，所述码盘节距20是恒定的并且是光电二极管节距14的四倍。当槽18在图2中所表示的位置时，每个槽18使每个光电二极管3A完全暴露于来自光源的光中，而光电二极管3B未被暴露，并且光电二极管4A和4B均是近似半暴露的。
如图2中所示的槽18的位置致使光电二极管产生如图3中在线42处示出的输出信号。信号30A(来自光电二极管3A的输出信号)近似在最大值，而信号30B(来自光电二极管3B的输出信号)近似在最小值。信号40A和40B(分别来自光电二极管4A和4B的输出信号)均近似在最大值和最小值之间的一半的值。在所示的例子中，信号30A、30B、40A、40B是正弦的。因此，在线42处，信号30A在最大正值，信号30B在最大负值，而信号40A、40B中的每个信号在零值。这些模拟信号30A、30B、40A、40B被转换到数字通道30C和40C。当信号30A的值超过信号30B的值时，通道30C在高值，而当信号30B的值超过信号30A的值时，通道30C在低值；并且当信号40A的值超过信号40B的值时，通道40C在高值，而当信号40B的值超过信号40A的值时，通道40C在低值。随着槽18相对于光电二极管阵列10被移位等于节距20的距离时，四个离散位置信号组合46、47、48、49相继被产生。这些组合是：(a)通道30C高/通道40C高；(b)通道30C低/通道40C高；(c)通道30C低/通道40C低；和(d)通道30C高/通道40C低。四个相邻组合跨越距离45，在这个例子中，该距离45等于槽18的节距20。在这方面，更高或更低的分辨率指的是每位移单位的分别为更多数目或更少数目的离散信号组合。
图1和2中示出的光电二极管阵列10的分辨率可(在理论上)通过减少光电二极管3A、4A、3B、4B的宽度、光电二极管之间的间隔15和槽18之间的节距20被无限地增加。然而，该阵列10的分辨率遭受现实世界的制造局限性。例如，根据某些制造技术，相邻光电二极管之间可实现的最小节距14例如可为9.0μm，而相邻光电二极管之间的最小间隙15例如可为5.0μm。
本发明的实例实施例提供了具有虚拟二极管节距的光电二极管阵列，该虚拟二极管节距比可由制造工艺制造的实际最小节距小。因此，例如，虽然制造技术可仅仅考虑到例如9μm的最小光电二极管节距，但是根据本发明的实例实施例的光电二极管阵列可提供例如4.5μm的虚拟二极管节距。也就是说，本发明的实例实施例提供了与常规装置相比更大的分辨率。
图4是根据本发明的示例性实施例的光电二极管检测器阵列100的俯视图。光电二极管检测器阵列100包括八个光电二极管的重复段的模式，每段具有下列模式：5A、5B、6A、6B、5B、5A、6B、6A。在每段之内，四对互补光电二极管(例如5A-5B、6A-6B、5B-5A和6B-6A)均在互补者之间具有第一节距105和间隙115以及在相邻的互补对之间具有第二节距110。在这个例子中，第二节距110是第一节距105的1.5倍。然而，应意识到的是，节距的任何组合都可被使用，诸如根据下列等式：
第二节距＝第一节距*((3+4i)/(2+4i))
其中i是大于或等于0的整数。值得注意的是，本例子满足其中i＝0的上述等式。类似的光电二极管被串联连接在输出排列101中。
在图4中示出的实例光电二极管检测器阵列100中，每个互补光电二极管5A、5B、6A、6B以在第一节距105的六倍和第一节距105的四倍之间交替的节距重复。例如，光电二极管5A以在为第一节距105的六倍的第一距离111和为第一节距105的四倍的第二距离112之间交替的节距重复。
图5是图4中示出的光电二极管检测器阵列100的俯视图，从而进一步示出了标度指数构件(例如码盘)的槽120的位置。这些槽120将光从光源导向光电二极管5A、5B、6A、6B。这些槽120根据在这个例子中为第一节距105的两倍的恒定的槽距125被定位。当槽120在图5中所表示的位置时，每个光电二极管5A被槽120完全暴露于来自光源的光中，而光电二极管5B基本上未被暴露并且光电二极管6A和6B均近似半暴露。暴露光电二极管5A的槽交替地以等于槽距125的三倍和两倍的距离被间隔。
对比图1和图2的阵列10，如果可容许的最小间隙15、115和光电二极管宽度是恒定的，则在相邻光电二极管之间的槽距相同和最小可制造节距相同的情况下，利用图4和5中描绘的光电二极管检测器阵列100比利用图1和2中示出的光电二极管检测器阵列可得到更大的分辨率。例如，图4和5中示出的阵列100可具有为图1和2中示出的阵列10的分辨率的两倍的虚拟分辨率。
图6是根据本发明的示例性实施例的光电二极管检测器阵列150的俯视图。光电二极管检测器阵列150包括八个光电二极管的重复段的模式，每段具有下列模式：7A、7B、8A、8B、7B、7A、8B、8A。在每段之内，四对互补光电二极管(例如7A-7B、8A-8B、7B-7A和8B-8A)均在互补者之间具有第一节距155和间隔165以及在相邻的互补对之间具有第二节距160。在这个例子中，第二节距160是第一节距155的7/6(即)倍。如利用图4和5中示出的例子那样，光电二极管检测器阵列150满足等式：
第二节距＝第一节距*((3+4i)/(2+4i))
其中i是大于或等于0的整数。值得注意的是，本例子满足其中i＝1的上述等式。类似的光电二极管被串联连接在输出排列151中。
在图6示出的实例阵列150中，每个互补光电二极管以在第一节距155的
Figure GSB00000818235000062
倍和第一节距155的
Figure GSB00000818235000063
倍之间交替的节距重复。例如，光电二极管7A以在为第一节距155的
Figure GSB00000818235000064
倍的第一距离161和为第一节距155的
Figure GSB00000818235000071
倍的第二距离162之间交替的节距重复。
图7是图6中示出的光电二极管检测器阵列150的俯视图，从而进一步示出了标度指数构件(例如码盘)的槽170的位置。这些槽170将光从光源导向光电二极管7A、7B、8A、8B。槽170根据在这个例子中为第一节距155的2/3倍的槽距175被定位。当槽170在图7中所表示的位置时，每个光电二极管7A被槽170完全暴露于来自光源的光中，而光电二极管7B基本上未被暴露并且光电二极管8A和8B都近似半暴露。暴露光电二极管7A的这些槽交替地以等于槽距175的八到五倍的距离被间隔。
图8是根据本发明的示例性实施例的光电二极管检测器阵列200的俯视图。光电二极管检测器阵列200包括八个光电二极管的重复段的模式，每段具有下列模式：17A、19A、19B、17A、17B、19B、19A、17B。在每段之内，光电二极管的四个非互补对(例如17A-19A、19B-17A、17B-19B和19A-17B)均在非互补者之间具有第一节距205和间隙215以及在相邻的非互补对之间具有第二节距210。在这个例子中，第二节距210是第一节距205的1.2倍。然而，应意识到的是，节距的任何组合都可被使用，诸如根据下列等式：
第二节距＝第一节距*((2+4i)/(1+4i))
其中i是大于或等于0的整数。值得注意的是，本例子满足其中i＝1的上述等式。类似的光电二极管被串联连接在输出排列201中。
在图8中示出的实例阵列200中，每个互补光电二极管以在第一节距205的3.2倍和第一节距205的5.6倍之间交替的节距重复。例如，光电二极管17A以在为第一节距205的3.2倍的第一距离211和为第一节距205的5.6倍的第二距离212之间交替的节距重复。
图9是图8中示出的光电二极管检测器阵列200的俯视图，从而进一步示出了标度指数构件(例如码盘)的槽220的位置。这些槽220将光从光源导向光电二极管17A、17B、19A、19B。槽220根据在这个例子中为第一节距205的4/5(或0.8倍)的槽距225被定位。当槽220在图9中表示的位置时，每个光电二极管17A被槽220完全暴露于来自光源的光中，而光电二极管17B基本上未被暴露，并且光电二极管19A和19B均近似半暴露。暴露光电二极管17A的这些槽交替地以等于槽距225的四到七倍的距离被间隔。
虽然图4到9中示出的例子被示为成直线地排列，但是应意识到的是，光电二极管检测器阵列100、150、200和槽120、170、220可以非线性排列来布置，例如沿圆周或弧被布置。进一步应意识到的是，槽120、170、220可例如为开口、反射器或考虑到将光从光源有效导向光电二极管检测器阵列100、150、200的任何其它配置。
如在图5、7和9的实施例中示出的槽的位置致使光电二极管产生如在图10中的线92处一般示出的输出信号。表示来自光电二极管5A、光电二极管7A或光电二极管17A的输出信号的信号90A近似在最大值，而为来自光电二极管5B、光电二极管7B或光电二极管17B的输出信号的信号30B近似在最小值。信号95A和95B均近似在最大值和最小值之间的一半的值，信号95A和95B是分别来自光电二极管6A和6B、分别来自光电二极管8A和8B或分别来自光电二极管19A和19B的输出信号。这些模拟信号90A、90B、95A、95B被转换到数字通道90C和95C。当信号90A的值超过信号90B的值时，通道90C在高值，并且当信号90B的值超过信号90A的值时，通道90C在低值；而当信号95A的值超过信号95B的值时，通道95C在高值，并且当信号95B的值超过信号95A的值时，通道95C在低值。随着槽120、170、220相对于光电二极管检测器阵列100、150、200被移位等于槽距125、175、225的距离时，四个离散位置信号组合81、82、83、84相继被产生。这些组合是：(a)通道90C高/通道95C高；(b)通道90C低/通道95C高；(c)通道90C低/通道95C低；和(d)通道90C高/通道95C低。四个相邻组合跨越距离96，在这些例子中，该距离96对应于槽120、170、220的槽距125、175、225。可为每个位置信号组合设置，以占据基本上相同的位移范围。
图11是编码器系统的一部分180的侧视图，其包括光源181、有槽的标度指数构件182、衬底183和排列在衬底183上的光电二极管检测器阵列184。由于有槽的标度指数构件182相对于光电二极管检测器阵列184和光源181被移位，所以有槽的标度指数构件182通过被布置在有槽的标度指数构件182中的槽将光从光源181导向光电二极管检测器阵列184。
应意识到的是，按照前述等式通过例如调节i的整数值，第一节距和第二节距的其它组合可被使用。例如，第二二极管节距可以为：(a)第一二极管节距的两倍，(b)第一二极管节距的
Figure GSB00000818235000091
倍或者(c)第一二极管节距的倍。
应意识到的是，第一节距、第二节距和码盘节距的某些组合提供非常高的虚拟分辨率。例如，分辨率的六倍(six-fold)增加(例如，6X虚拟分辨率)可通过以码盘节距的1.5倍的第一节距和以码盘节距的1.75倍的第二节距来提供相邻光电二极管而获得；而分辨率的五倍增加(例如，5X虚拟分辨率)可通过以码盘节距的1.25倍的第一节距和以码盘节距的1.5倍的第二节距来提供相邻光电二极管而获得。因此，例如，对于6.4μm的码盘节距，即使光电二极管以9.6μm的第一节距和以11.2μm的第二节距来排列(即6X虚拟分辨率)，也可获得1.6μm的虚拟二极管节距；并且，对于7.2μm的码盘节距，即使光电二极管以9.0μm的第一节距和以10.8μm的第二节距来排列(即5X虚拟分辨率)，也可获得1.8μm的虚拟二极管节距。

Claims (16)

1.一种用于光学编码器的光电二极管检测器阵列，该光电二极管检测器阵列包括：
光电二极管序列，该光电二极管序列在相邻的光电二极管之间具有在第一节距和第二节距之间交替的节距，第二节距大于第一节距。
2.根据权利要求1所述的光电二极管检测器阵列，其中，下列等式被满足：
第二节距＝第一节距*((3+4i)/(2+4i))，
i表示大于或等于0的整数。
3.根据权利要求1所述的光电二极管检测器阵列，其中，第二节距是第一节距的1.5倍。
4.根据权利要求1所述的光电二极管检测器阵列，其中，下列等式被满足：
第二节距＝第一节距*((2+4i)/(1+4i))，
i表示大于或等于0的整数。
5.根据权利要求1所述的光电二极管检测器阵列，其中，第二节距是第一节距的1.2倍。
6.根据权利要求1所述的光电二极管检测器阵列，其中，光电二极管阵列具有多个通道，每个通道包括第一互补光电二极管和第二互补光电二极管。
7.根据权利要求6所述的光电二极管检测器阵列，其中，第一互补光电二极管和第二互补二极管中的每个以第三节距重复，所述第三节距是以下情况之一：
(a)在第一节距的4倍和第一节距的6倍之间交替，
(b)在第一节距的
Figure FSB00000818234900011
倍和第一节距的
Figure FSB00000818234900012
倍之间交替。
8.根据权利要求6所述的光电二极管检测器阵列，其中，第一互补光电二极管和第二互补光电二极管中的每个以第三节距重复，所述第三节距在第一节距的5.6倍和第一节距的3.2倍之间交替。
9.光学编码器，其包括：
光源；
包括光电二极管序列的光电二极管检测器阵列，该光电二极管序列在相邻的光电二极管之间具有在第一节距和第二节距之间交替的节距，第二节距大于第一节距；以及
被配置来将光从光源导向光电二极管的标度指数构件。
10.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，所述标度指数构件是码盘。
11.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，所述标度指数构件包括具有槽距的槽，所述槽距为第一节距的两倍。
12.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，所述标度指数构件包括具有槽距的槽，所述槽距为第一节距的4/5。
13.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，下列等式中的至少一个等式被满足：
(a)第二节距＝第一节距*((3+4i)/(2+4i))；和
(b)第二节距＝第一节距*((2+4i)/(1+4i))；
i表示大于或等于0的整数。
14.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，所述第二节距是以下情况之一：
(a)第一节距的1.5倍，
(b)在第一节距的
Figure FSB00000818234900021
倍和第一节距的
Figure FSB00000818234900022
倍之间交替，
(c)第一节距的1.2倍。
15.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，所述光电二极管阵列具有多个通道，每个通道包括第一互补光电二极管和第二互补光电二极管。
16.根据权利要求9所述的光学编码器，其中，第一互补光电二极管和第二互补二极管中的每个以第三节距重复，所述第三节距是以下情况之一：
(a)在第一节距的4倍和第一节距的6倍之间交替，
(b)在第一节距的5.6倍和第一节距的3.2倍之间交替。
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