CN1800787A

CN1800787A - 光学编码器

Info

Publication number: CN1800787A
Application number: CN 200510004251
Authority: CN
Inventors: 魏智贤
Original assignee: Lite On Technology Corp
Current assignee: Lite On Technology Corp
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2025-01-06
Also published as: CN100397044C

Abstract

本发明涉及一种光学编码器，包括：一光源，用以发射光线；一码带，具有交错排列的反射区域与非反射区域，其中该反射区域用以反射该光源发射的光线；一第一镜片组，与该光源设置于该码带的同一侧，用以汇聚该反射区域所反射的光线并射出；以及一光感测组件，具有以矩阵方式排列的多个感测元，以接收该第一镜片组所汇聚的光线，并将接收到的光线转换为电气信号，以得一二进制识别码组合，其中，该光感测组件与该码带设置于该第一镜片组的两侧。本发明的光学编码器包括具有以矩阵方式排列的多个感测元的一光感测组件，可通过此光感测组件的排差以增加反馈控制的精度。再者，由于此光感测组件可同步进行多次检测，因而能增加测得信号的可靠度。

Description

光学编码器

技术领域

本发明关于一种光学编码器，特别是光感测组件中的光感测元以矩阵方式排列，以提高精度及可靠度。

背景技术

欲检测一转动装置(例如：马达或机构轴)或一高速移动装置的位置时，通常是依赖光学或磁性方式通过感测组件的开或关而产生对应被检测装置的每一位置的二进制识别码，例如：于美国专利第4451731号、第4691101号、第4952799号及第5317149号中即可知几种典型的光学编码器。

这些编码器主要包括：用以发射一道光束的一光源；用以响应转动装置运作而调变光束的一码带(code strip)，如一码轮(code wheel)、光栅片(optical grating disk)或一光学尺(optical scale)；以及用以接收并检测调变后的光束的一光检测器(photodetector)。一般，有些码带上会附有不透光与透光区域交错，此时光源和光检测器需分别位于刻度组件的两侧。另一些为码带上有部分为反射区域，此时光源和光检测器则需位于刻度组件的同侧。

参照图1，为公知的光学编码器的概要结构图，由一主光栅片110、一副光栅片120、一二极管光源(LED Illuminator)130、一光接收器140及一主轴150所构成。其中，主光栅片110设置于主轴150上，且主轴150会响应转动装置运作而带动主光栅片110。主光栅片110由透光区域112与不透光区域114交错排列而成，如图2所示。二极管光源130发出光线并照射至主光栅片110，部分光线穿过透光部分112经由副光栅片120到达光接收器140，而部分光线被不透光部分114阻隔，如此一来，通过主光栅片110上透光区域112与不透光区域114的交错排列，可作为光接收器140产生二进制识别码的根据，进而决定转动装置的位置。然而，由于光学编码器的光源和光接收器必须分别位于光栅的两侧，因此仅能单侧进行编码作用，故其分辨率因而受限且整体装置无法很薄。

另一种公知的光学编码器的概要结构图如图3所示，其包括：一码轮210、一二极管光源220以及一光接收器230。其中，码轮210亦是通过一轮体(图中未显示)响应转动装置运作而带动。并且，此码轮210由反射区域212与非反射区域214交错排列而成。二极管光源220用以照明码轮210上的反射区域212，再通过排列于与二极管光源220同侧的光接收器230接收反射区域212所直接反射的调变光束，以得到多个指示码轮210位置的二进制识别码，进而得知转动装置的位置，以接续进行转动装置的速度及行程控制。

于公知的光学编码器中，为增加其控制精准度多通过增加其分辨率来实现。对于分辨率的增加多通过改变码带上透光区域与不透光区域的多寡(或反射区域与非反射区域的多寡)或者采用多个码带搭配多个光检测器来实现。然而，此易造成光学编码器的厚度增加，而不符合微小化的趋势。并且，若码轮上有脏污时仍会造成误差产生。因此，目前的光学编码器仍有改进的空间。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光学编码器，以大体上解决先前技术所存在的问题。

本发明所揭示的光学编码器，可通过光感测组件的排差以增加反馈控制的精度。

本发明所揭示的光学编码器，可同步进行多次检测，以量测得的信号的可靠度。

本发明所揭示的光学编码器，可降低所使用的码带，(如：码轮或光学尺)上的脏污所造成的误差。

为了达到上述目的，本发明所揭示的光学编码器，包括：一光源、一码带、一第一镜片组以及一光感测组件。

光源用以发射光线，以照射至码带上。具有交错排列的反射区域与非反射区域的码带，其中的反射区域可反射光线。第一镜片组与光源设置于码带的同一侧，可将反射的光线汇聚并射出。光感测组件包括以矩阵方式排列的多个感测元，且与码带设置于第一镜片组的两侧，用以接收第一镜片组所汇聚的光线，并将接收到的光线转换为电气信号，以得一二进制识别码组合。

此外，还包括：一第二镜片组，设置于光源与码带之间，用以将光源产生的光线放大且汇聚于码带上。

其中，光感测组件具有N1×N2个感测元，且N1和N2为相同或相异的正整数。于此，光感测元可检测码带的N1个波段，并同步接收第一镜片组所汇聚的光线N2次。

也就是说，本发明提供了一种光学编码器，其中包括：一光源，用以发射光线；一码带，具有交错排列的反射区域与非反射区域，其中该反射区域用以反射该光源发射的光线；一第一镜片组，与该光源设置于该码带的同一侧，用以汇聚该反射区域所反射的光线并射出；以及一光感测组件，具有以矩阵方式排列的多个感测元，以接收该第一镜片组所汇聚的光线，并将接收到的光线转换为电气信号，以得一二进制识别码组合，其中，该光感测组件与该码带设置于该第一镜片组的两侧。

根据本发明的构思，该光学编码器还包括一第二镜片组，设置于该光源与该码带之间，用以将该光源产生的光线放大且汇聚于该码带上。

根据本发明的构思，该光感测组件具有N1×N2个该感测元，其中N1和N2为相同或相异的正整数。

根据本发明的构思，该光感测元可检测该码带的N1个波段，且同步接收该第一镜片组所汇聚的光线N2次。

根据本发明的构思，该反射区域与该非反射区域的宽度为该光感测元的宽度乘上N1。

根据本发明的构思，该光感测组件为一电荷耦合组件。

根据本发明的构思，该光感测组件为一金属氧化半导体图像传感器。

根据本发明的构思，该光感测组件为一接触式图像传感器。

根据本发明的构思，该光源为一二极管光源。

根据本发明的构思，该码带为一码轮。

根据本发明的构思，该码带为一光学尺。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭示的内容、权利要求书及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

附图说明

图1为说明一公知的光学编码器的概要结构图；

图2为图1中的主光栅片的结构图；

图3为说明另一公知的光学编码器的概要结构图；

图4为说明根据本发明一实施例的光学编码器的概要结构图；

图5A为图4中光感测组件第一实施例的光感测元排列方式的示意图；

图5B为图5A中的光感测组件于电气信号的一次循环所得到的二进制识别码组合；

图6A为图4中光感测组件第二实施例的光感测元排列方式的示意图；

图6B为图6A中的光感测组件于电气信号的一次循环所得到的二进制识别码组合；

图7A为图4中光感测组件第三实施例的光感测元排列方式的示意图；

图7B为图7A中的光感测组件于电气信号的一次循环所得到的二进制识别码组合；

图8A为图4中光感测组件第四实施例的光感测元排列方式的示意图；

图8B为搭配图8A的光感测组件的码带的示意图；以及

图9为说明根据本发明另一实施例的光学编码器的概要结构图。

其中，附图标记说明如下：

110-主光栅片；112-透光区域；114-不透光区域；120-副光栅片；

130-二极管光源；140-光接收器；150-主轴；210-码轮；

212-反射区域；214-非反射区域；220-二极管光源；230-光接收器；

310-码带；312-反射区域；314-非反射区域；320-光源；

330-光感测组件；340-第一镜片组；342-第二镜片组；

3301-光感测元；A、B、C、D……N1-纵轴线；

1、2、3、4……N2-横轴线；S1～S8二进制识别码组。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，现配合实施例详细说明如下。以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

请参照图4，为本发明一实施例的光学检测器的概要结构图，其包括：一码带310、一光源320、一光感测组件330以及-第一镜片组(Lens)340。

其中，码带310亦是通过轮体(图中未显示)响应转动装置运作而带动，且其上具有反射区域312与非反射区域314交错排列。此码带310可为一码轮，亦可为一光学尺。

光源320用以发射光线以照明码带310上的反射区域312。其中，此光源320可为一二极管光源。

光感测组件330，与光源320排列于码带310的同一侧，用以接收反射区域312所反射的调变光束，并转换为电气信号，即为一二进制识别码组合，进而得知转动装置的位置，以接续进行转动装置的速度及行程控制。

其中，光感测组件330由多个光感测元(cell)3301以矩阵方式排列而成。以纵轴线来区分出不同码带310的波段(channel)，即每一纵轴线的光感测元可检测码带310上一波段的信号。因此，可以通过低分辨率的码带310(如：纸制的光学尺)来达到相同程度的反馈控制。并且，可再通过横轴在线的光感测元进行检验比对，以增加其可靠性，因此，即可避免码带310脏污所造成的误差。其中，反射区域与非反射区域的宽度小于或大致上等于光感测组件读取一次图像的宽度。也就是，大致上为光感测元的宽度乘上排列数目。

第一镜片组340设置于码带310与光感测组件330之间，以汇聚反射区域312所反射的调变光束以朝向光感测组件330。

以下配合附图以详细说明光感测组件的组成与码带精度的关系。

参照图5A、图5B，于图5A为本发明一实施例的光感测组件的光感测元排列方式，于此光感测组件中，光感测元以2×2矩阵方式排列。以纵轴线来看，纵轴线A和纵轴线B分别感测不同波段的调变光束，以得到二位数的一二进制识别码组合。于此，搭配一适当长度的码带时，其电气信号的一次循环为如图5B所示的四种二进制识别码组合S1～S4。而以横轴线来看，横轴线1和横轴线2可重复检测同波段，以增加信号的可靠性。

若光感测组件中，光感测元以3×3矩阵方式排列，如图6A所示。以纵轴线来看，纵轴线A、纵轴线B和纵轴线C分别感测不同波段的调变光束，以得到三位数的一二进制识别码组合。并且，搭配一适当长度的码带时，其电气信号的一次循环为如图6B所示的六种二进制识别码组合S1～S6。而以横轴线来看，横轴线1、横轴线2和横轴线3则用以重复检测。

同样地，若光感测组件中，光感测元以4×4矩阵方式排列，如图7A所示。以纵轴线来看，纵轴线A、纵轴线B、纵轴线C和纵轴线D分别感测不同波段的调变光束，以得到四位数的一二进制识别码组合。并且，搭配一适当长度的码带时，其电气信号的一次循环为如图7B所示的八种二进制识别码组合S1～S8。而以横轴线来看，横轴线1、横轴线2、横轴线3和横轴线4则用以重复检测。

因此，综合上述，光感测组件中，光感测元可以N1×N2的矩阵方式排列，如图8A所示，其中N1和N2均为相同或相异的正整数。因此，假设码带的分辨率为(1/X)DPI时(如图8B所示)，则光感测组件的规格则为N1×X，因此可检测精度即可达N1×X，而同步检测器次数则为N2。其中光感测组件的较佳实施态样为电荷耦合组件(Charge Coupled Device；CCD)、互补性金属氧化半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor；CMOS)图像传感器或是接触式图像传感器(Contact Image Sensor；CIS)均可。于此，X表示一单位中反射区域和非反射区域的个数。

另外，还可设置一第二镜片组342于码带310与光源320之间，以将光源320产生的光线放大，并汇聚于码带310上，如图9。

虽然本发明以前述的实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考本发明的权利要求书。

Claims

1.一种光学编码器，其中包括：

一光源，用以发射光线；

一码带，具有交错排列的反射区域与非反射区域，其中该反射区域用以反射该光源发射的光线；

一第一镜片组，与该光源设置于该码带的同一侧，用以汇聚该反射区域所反射的光线并射出；以及

一光感测组件，具有以矩阵方式排列的多个感测元，以接收该第一镜片组所汇聚的光线，并将接收到的光线转换为电气信号，以得一二进制识别码组合，其中，该光感测组件与该码带设置于该第一镜片组的两侧。

2.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是还包括：

一第二镜片组，设置于该光源与该码带之间，用以将该光源产生的光线放大且汇聚于该码带上。

3.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是该光感测组件具有N1×N2个该感测元，其中N1和N2为相同或相异的正整数。

4.如权利要求3所述的光学编码器，其特征是该光感测元可检测该码带的N1个波段，且同步接收该第一镜片组所汇聚的光线N2次。

5.如权利要求3所述的光学编码器，其特征是该反射区域与该非反射区域的宽度为该光感测元的宽度乘上N1。

6.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是该光感测组件为一电荷耦合组件。

7.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是该光感测组件为一金属氧化半导体图像传感器。

8.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是该光感测组件为一接触式图像传感器。

9.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是该光源为一二极管光源。

10.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是该码带为一码轮。

11.如权利要求1所述的光学编码器，其特征是该码带为一光学尺。