CN1924527A - 具有集成索引通道的光学编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学编码器，包括编码器图案，编码器图案具有(i)沿第一方向交替的第一区域和第二区域的A/B图案，其中第一区域和第二区域具有不同的光学透射率或反射率，和(ii)沿第一方向与A/B图案相邻部署的索引图案。

Description

具有集成索引通道的光学编码器
技术领域
本发明涉及光学编码器。
背景技术
光学编码器被用在多种广泛的领域中，以确定目标相对于某一参照物的移动和/或位置。光学编码常用于机械系统中作为测量和跟踪移动组件间的移动的廉价和可靠的方式。例如，打印机、扫描仪、光电复印机、传真机、绘图仪和其他成像系统常使用光学编码来跟踪在图像被打印在诸如纸张之类的图像介质上或者从介质上扫描图像时图像介质的移动。
一种通用的用于光学编码的技术使用光学传感器和编码器图案(或编码介质)。光学传感器聚焦在编码器图案的表面。随着传感器相对于编码器图案(或编码介质)移动，或者编码器图案相对于传感器移动，传感器读取透过编码器图案或由编码器图案反射的光的图案以检测移动。
典型的编码器图案是一系列交替特征。随着编码器和传感器彼此相对移动，光学地检测到图案中从一种特征转变为另一种特征。例如，编码器图案可以是不透明材料中的孔或光学透射窗的交替图案。在这种情况下，光学传感器可以检测到透过孔或窗口的从暗变亮的转变。
图1图示了基本的光学编码器100，光学编码器100包括光学单元103和光控制构件(编码器图案)105，光学单元103包括光发射器101和光学传感器102，编码器图案105部署在光发射器101和光学传感器102之间。光学单元103和编码器图案105可以沿编码器图案105的纵向方向以线性方式彼此相对移动。例如，如果光学构件103安装在喷墨打印机的打印头上，而编码器图案105被固定到喷墨打印机的机壳上，则在打印头移动时光学单元103沿编码器图案105的长度方向移动。
图2A和2B进一步详细图示了包括编码器图案和光学传感器的3通道光学编码器。图2A示出了包括交替的A/B图案210和分离的索引图案220的代码盘(或代码条)编码器图案105。A/B图案210包括具有交替的不同光学透射率或反射率(依赖于光学编码器的设计)的区域的图案。所有第一(“A”)部分212沿编码器图案105的纵向方向具有相同长度。所有第二(“B”)部分214沿编码器图案105的纵向方向具有相同长度。另外，沿编码器图案105的纵向方向的第一部分212的长度和沿编码器图案105的纵向方向的第二部分214的长度彼此相等。换句话说，作为沿编码器图案105的纵向方向的第一部分212的长度和沿编码器图案105的纵向方向的第二部分214的长度之和的长度L对于任何一对相邻的第一和第二部分212、214来说都是恒定的。
同时，图2B示出了光学传感器102，光学传感器102包括A/B通道检测器阵列250、第一和第二(“A”和“B”)通道处理块270和275、索引通道检测器280以及索引通道处理块290。尽管未在图2A-B中示出，但是光学编码器还包括诸如图1的光发射器101之类的光发射器。光发射器可包括用于照射编码器图案105的一个或多个发光二极管。
如图2B所示，光学传感器102包括包含四个光电二极管261-264的光电二极管组260。这四个光电二极管261-264沿光学单元103和编码器图案105之间的相对移动的方向彼此接近地放置。所有光电二极管261-264沿放置方向都具有相同长度，并且这四个的总长度是K。换句话说，沿光学单元103和编码器图案105之间的相对移动的方向的光电二极管组260的长度是K。在上述布置中，K和L彼此相等，例如在制造容差或误差内彼此相等。这里应当注意，由于制造的技术原因在每一对相邻的光电二极管261-264之间可以有微小的间隙，但是这些间隙未在图2B中示出。光电二极管261-264具有与第一和第二通道处理块270和275的输入端相连的输出端。
图3更清楚地图示了编码器图案105和包括多个光电二极管组260的A/B通道检测器阵列250之间的位置关系。
如果编码器图案105相对于光学单元103沿纵向方向移动(或反之)，则第一和第二通道处理块270和275分别输出第一和第二通道信号“A”和“B”，如图4所示。
从图4中可见，第一和第二通道信号指示光学单元103和编码器图案105之间的相对移动。然而，其并不指示光学单元103和编码器图案105相对于彼此的位置关系。在许多情况下，有必要检测光学单元103和编码器图案105之间的相对位置关系，以确定光学传感器102的索引或归航(homing)位置，或者用于光学单元103的可允许移动范围的端点检测。
因此，如图2A-B所示，3通道光学编码器除了包括第一和第二(“A”和“B”)通道外还包括索引通道。即，编码器图案105包括分离的索引图案220，并且光学传感器102包括索引图案检测器280。索引图案检测器280输出图4中所示的索引通道信号。
然而，上述3通道光学传感器有某些缺点。例如，随着光学编码器越来越集成到诸如照像机、移动电话等之类的较小设备中，使得光学编码器的尺寸最小变得越来越重要。然而，索引通道需要分离的索引通道检测器增大了用于光学单元的集成电路的尺寸。类似地，分离的索引图案增大了编码器图案和编码器图案结合在其上的介质(例如，代码条或代码盘)的尺寸。
因此，我们所需要的是一种克服了上述已知光学编码器的至少某些缺点的光学编码器。
发明内容
在示例性实施例中，一种光学编码器包括编码器图案和包括检测器阵列的光学传感器，编码器图案包括包含一系列沿在纵向方向上延伸的直线交替的第一区域和第二区域的A/B图案以及沿在纵向方向上延伸的直线部署的索引图案，其中第一区域和第二区域具有不同的光学透射率或反射率，检测器阵列输出指示光学传感器和编码器图案之间的相对移动的第一和第二通道信号，并输出指示光学传感器相对于编码器图案的索引位置的索引通道信号，其中通过逻辑组合检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出来获得索引通道信号。
在另一个示例性实施例中，一种光学编码器包括代码盘和包括检测器阵列的光学传感器，代码盘具有包括一系列沿代码盘的圆周方向交替的第一区域和第二区域的A/B图案以及部署在代码盘上的沿圆周方向与A/B编码器图案相邻的索引图案，其中第一区域和第二区域具有不同的光学透射率或反射率，检测器阵列输出指示光学传感器和代码盘之间的相对移动的第一和第二通道信号，并输出指示光学传感器相对于代码盘的索引位置的索引通道信号，其中通过逻辑组合检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出来获得索引通道信号。
在另一个示例性实施例中，一种光学编码器包括编码器图案和包括检测器阵列的光学传感器，编码器图案包括包含一系列沿第一方向交替的第一区域和第二区域的A/B图案以及沿第一方向与A/B图案相邻部署的索引图案，其中第一区域和第二区域具有不同的光学透射率或反射率；检测器阵列输出指示光学传感器和编码器图案之间的相对移动的第一和第二通道信号，并输出指示光学传感器相对于编码器图案的索引位置的索引通道信号，其中通过逻辑组合检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出来获得索引通道信号。
附图说明
从下面结合附图阅读的具体实施方式中可最好地理解示例性实施例。注意，各种特征并没有按比例绘出。事实上，大小可被任意放大或缩小以用于讨论方便。在应用和实际中，相似的标号指代相似的元件。
图1示出了基本的光学编码器；
图2A示出了3通道光学编码器的代码条或代码盘的编码器图案；
图2B示出了3通道光学编码器的代码条或代码盘的光学传感器；
图3图示了图2A-B的编码器图案和A/B通道检测器阵列之间的位置关系；
图4示出了图2B的3通道光学传感器的输出信号；
图5示出了光学编码器的一个实施例；
图6A示出了图5的光学编码器的代码条的编码器图案；
图6B示出了图5的光学编码器的光学传感器的一个实施例；
图7图示了图6A-B的编码器图案和A/B通道检测器阵列之间的位置关系；
图8示出了图6B的光学传感器的输出信号；
图9A示出了光学编码器的代码条或代码盘的编码器图案的另一个实施例；
图9B示出了光学编码器的光学传感器的另一个实施例；
图10示出了图9B的光学传感器的输出信号。
具体实施方式
在下面的详细描述中，为了说明而不是限制的目的，给出了公开特定细节的示例性实施例以提供对根据本发明教导的实施例的完全理解。然而，已经获知本发明益处的本领域普通技术人员应当清楚，脱离这里所公开的特定细节的根据本发明教导的其他实施例仍然在所附权利要求的范围内。而且，对公知装置和方法的描述可以省略以便不使示例性实施例的描述变模糊。这些方法和装置很显然在本发明教导的范围内。
图5示出了在没有分离的索引检测器的情况下检测索引通道的光学编码器500的示例性实施例。光学编码器500包括光学单元503和光控制构件，光学单元503包含光发射器和光学传感器，光控制构件包括具有线性编码器图案505的代码条。线性编码器图案505包括：(i)包含一系列沿在纵向方向上延伸的直线交替的第一区域552和第二区域554的A/B图案550，其中第一区域与第二区域具有不同的光学透射率或反射率；以及(ii)沿在A/B图案550的纵向方向上延伸的直线部署的两个索引图案560、570，索引图案560、570布置在A/B图案550的相应的对端。
光学单元503和编码器图案505可以沿编码器图案505的纵向方向彼此相对移动。例如，如果光学构件503安装在喷墨打印机的打印头上，而编码器图案505被固定到喷墨打印机的机壳上，则光学单元503沿编码器图案505的长度方向移动。
图6A更详细地示出了代码条编码器图案505(包括A/B图案550和索引图案570)的示意图。A/B图案550包括具有交替的不同光学透射率或反射率(依赖于光学编码器的设计)的区域的图案。所有第一(“A”)部分552沿编码器图案505的纵向方向具有相同长度。所有第二(“B”)部分554沿编码器图案505的纵向方向具有相同长度。另外，沿编码器图案505的纵向方向的第一部分552的长度和沿编码器图案505的纵向方向的第二部分554的长度彼此相等。换句话说，作为沿编码器图案505的纵向方向的第一部分552的长度和沿编码器图案505的纵向方向的第二部分554的长度之和的长度L对于任何一对第一和第二部分552和554来说都是恒定的。
如图6A所示，编码器图案505包括两个索引图案560、570。在该实施例中，索引图案560是左限索引图案，索引图案570是右限索引图案，其分别指示光学单元503的位置移动的左右端点。即，索引图案560、570可用来获得光学单元503相对于编码器图案505的绝对位置信息。
同时，图6B示出了可包括在图5的光学传感器503中的光学传感器602的示例性实施例。光学传感器602包括检测器阵列650、第一和第二(“A”和“B”)通道处理块670和675以及第一和第二索引通道处理块690、695。尽管未在图6A-B中示出，但是光学编码器500还包括诸如图1的光发射器101之类的光发射器。光发射器可包括用于照射编码器图案505的一个或多个发光二极管。
如图6B所示，光学传感器602包括包含四个光电二极管661-664的光电二极管组660。然而，可以使用任何传统的光学检测器来替代光电二极管。这四个光电二极管661-664沿光学单元503和编码器图案505之间的相对移动的方向彼此接近地放置。所有光电二极管661-664沿放置方向都具有相同长度，并且这四个的总长度是K。换句话说，沿光学单元503和编码器图案505之间的相对移动的方向的光电二极管组660的长度是K。在上述布置中，K和L彼此相等，例如在制造容差或误差内彼此相等。这里应当注意，由于制造的技术原因在每一对相邻的光电二极管661-664之间可以有微小的间隙，但是这些间隙未在图6B中示出。光电二极管661-664具有与第一和第二通道处理块670和675的输入端相连的输出端。
图7图示了编码器图案505和A/B通道检测器阵列650之间的位置关系。
如果编码器图案505相对于光学单元503沿纵向方向移动(或反之)，则第一和第二通道处理块670和675分别输出第一和第二通道信号“A”和“B”，如图8所示。从图8中可见，第一和第二通道信号指示光学单元503和编码器图案505之间的相对移动。
如上所述，光学传感器602包括检测器阵列650中的至少三个相邻检测器的第一集合680和检测器阵列650中的至少三个相邻检测器的第二集合685。检测器阵列650中的至少三个相邻检测器的第一集合680的检测器的输出信号与第一索引通道处理块690的输入端相连。类似地，检测器阵列650中的至少三个相邻检测器的第二集合685的检测器的输出信号与第二索引通道处理块695的输入端相连。
第一索引通道处理块690逻辑组合检测器的第一集合680的检测器的输出以获得第一索引通道信号，如图8所示。在图6B所示的实施例中，第一索引通道处理块690包括用于对检测器的第一集合680的检测器的输出进行逻辑非与(NAND)操作以获得第一索引通道信号的非与门。类似地，第二索引通道处理块695逻辑组合检测器的第二集合685的检测器的输出以获得第二索引通道信号，如图8所示。在图6B所示的实施例中，第二索引通道处理块695包括用于对检测器的第二集合685的检测器的输出进行逻辑与(AND)操作以获得第二索引通道信号的与门。应当理解，依赖于第一和第二索引图案570、560，检测器的第一和第二集合680和685的输出的其他逻辑组合也是可能的。例如，在某些实施例中，第一索引通道处理块690可包括与门而不是非与门，类似地，第二索引通道处理块695可包括非与门而不是与门。
从图8中可见，第一和第二索引通道信号分别指示光学单元503的位置移动的左右端点。更具体而言，第一和第二索引通道信号指示光学单元503相对于编码器图案505的绝对位置信息。当然在仅有必要或只希望建立一个端点的适当的应用中，可以仅使用一个索引通道图案和索引通道处理块。
第一和第二集合680、685的检测器的输出信号也与第一和第二通道处理块670和675的输入端相连，从而被用来获得指示光学单元503和编码器图案505之间的相对移动的第一和第二通道信号“A”和“B”。
上述编码器500可提供索引通道信号，而无需使用任何分离的专用索引通道检测器或任何远程的索引图案。这可以减小用于光学编码器和/或包括编码器图案的代码条或代码盘的集成电路的尺寸。这又能实现更小的且可能成本更低的光学编码器。
图9A示出了光学编码器的代码条或代码盘的编码器图案905的另一个示例性实施例。与图5和6A的编码器图案505不同的是，编码器图案905包括位于A/B图案950的“中部”的单个索引图案960，A/B图案950包括一系列第一区域952和第二区域954。
尽管为了说明的方便，编码器图案905在图9中示为线性的并且沿纵向方向延伸，但是应当理解，编码器图案905可以与代码盘相结合。这种情况下，编码器图案905可以沿代码盘表面的圆周方向延伸。即，在这种情况下编码器图案905包括(i)包括一系列沿代码盘的圆周方向交替的第一区域952和第二区域954的A/B图案950，其中第一区域952与第二区域954具有不同的光学透射率或反射率；以及(ii)部署在代码盘上的沿圆周方向与A/B编码器图案950相邻的索引图案960。这里所述的沿“圆周方向”延伸意味着沿着在其完成时循着圆周轨迹的路径延伸。
图9B示出了可用于编码器图案905的光学编码器的光学传感器902的另一个示例性实施例。与光学传感器602不同的是，光学传感器902包括检测器阵列中的至少三个相邻检测器的单个集合980。检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合980的检测器的输出信号与索引通道处理块990的输入端相连。索引通道处理块990逻辑组合检测器的集合980的检测器输出以获得索引通道信号，如图10所示。在图9B所示的实施例中，索引通道处理块990包括用于对检测器的集合980的检测器输出进行逻辑与操作以获得索引通道信号的与门。应当理解，依赖于索引图案990，检测器的集合980的检测器输出的其他逻辑组合也是可能的。例如，在某些实施例中，索引通道处理块990可包括非与门而不是与门。
从图10中可见，索引通道信号指示光学单元的归航位置。更具体而言，索引通道信号指示光学单元相对于编码器图案905的绝对位置信息。
检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合980的检测器的输出信号也与第一和第二通道处理块970和975的输入端相连，从而被用来获得图10中的指示光学单元和编码器图案905之间的相对移动的第一和第二通道信号“A”和“B”。
尽管这里公开了示例性实施例，但是本领域普通技术人员可意识到，根据本发明的教导可以进行许多变化，这些变化仍然在所附权利要求的范围内。因此，实施例并非是限制性的，且只由所附权利要求的范围限定。

Claims (20)

1.一种光学编码器，包括：
编码器图案，包括：
包括一系列沿在纵向方向上延伸的直线交替的第一区域和第二区域的A/B图案，其中所述第一区域和所述第二区域具有不同的光学透射率或反射率，和
沿在所述纵向方向上延伸的直线部署的索引图案；以及
包括检测器阵列的光学传感器，所述检测器阵列输出指示所述光学传感器和所述编码器图案之间的相对移动的第一和第二通道信号，并输出指示所述光学传感器相对于所述编码器图案的索引位置的索引通道信号，
其中通过逻辑组合所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出来获得所述索引通道信号。
2.如权利要求1所述的光学编码器，其中通过对所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出进行逻辑与或逻辑非与的操作来获得所述索引通道信号。
3.如权利要求1所述的光学编码器，其中使用所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出中的两个来获得所述第一通道信号，并且还使用所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出中的另外一个来获得所述第二通道信号。
4.如权利要求1所述的光学编码器，还包括沿在所述纵向方向上延伸的直线部署的第二索引图案，其中所述检测器阵列输出指示所述光学传感器相对于所述编码器图案的第二索引位置的第二索引通道信号，并且通过逻辑组合所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的第二集合的输出来获得所述第二索引通道信号。
5.如权利要求4所述的光学编码器，其中所述第一和第二索引位置指示所述光学传感器的移动的端点。
6.如权利要求4所述的光学编码器，其中所述至少三个相邻检测器的第一集合是在所述检测器阵列的第一端的前三个检测器，所述至少三个相邻检测器的第二集合是在所述检测器阵列的第二端的后三个检测器。
7.如权利要求1所述的光学编码器，还包括与门和非与门之一，所述与门和非与门适合于接收所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出并输出所述索引通道信号。
8.一种光学编码器，包括：
代码盘，具有：
包括一系列沿所述代码盘的圆周方向交替的第一区域和第二区域的A/B图案，其中所述第一区域和所述第二区域具有不同的光学透射率或反射率，和
部署在代码盘上的沿所述圆周方向与所述A/B编码器图案相邻的索引图案；以及
包括检测器阵列的光学传感器，所述检测器阵列输出指示所述光学传感器和所述代码盘之间的相对移动的第一和第二通道信号，并输出指示所述光学传感器相对于所述代码盘的索引位置的索引通道信号，
其中通过逻辑组合所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出来获得所述索引通道信号。
9.如权利要求8所述的光学编码器，其中通过对所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出进行逻辑与或逻辑非与的操作来获得所述索引通道信号。
10.如权利要求1所述的光学编码器，其中使用所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出中的两个来获得所述第一通道信号，并且还使用所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出中的另外一个来获得所述第二通道信号。
11.如权利要求1所述的光学编码器，还包括与门和非与门之一，所述与门和非与门适合于接收所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出并输出所述索引通道信号。
12.一种光学编码器，包括：
编码器图案，包括：
包括一系列沿第一方向交替的第一区域和第二区域的A/B图案，
其中所述第一区域和所述第二区域具有不同的光学透射率或反射率，
和
沿所述第一方向与所述A/B图案相邻部署的索引图案；以及
包括检测器阵列的光学传感器，所述检测器阵列输出指示所述光学传感器和所述编码器图案之间的相对移动的第一和第二通道信号，并输出指示所述光学传感器相对于所述编码器图案的索引位置的索引通道信号，
其中通过逻辑组合所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出来获得所述索引通道信号。
13.如权利要求12所述的光学编码器，其中通过对所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出进行逻辑与或逻辑非与的操作来获得所述索引通道信号。
14.如权利要求12所述的光学编码器，其中使用所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出中的两个来获得所述第一通道信号，并且还使用所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出中的另外一个来获得所述第二通道信号。
15.如权利要求12所述的光学编码器，其中所述索引图案是线性代码条图案。
16.如权利要求1所述的光学编码器，其中所述索引图案是代码盘图案。
17.如权利要求1所述的光学编码器，还包括沿所述第一方向与所述A/B图案相邻部署的第二索引图案，其中所述检测器阵列输出指示所述光学传感器相对于所述编码器图案的第二索引位置的第二索引通道信号，并且通过逻辑组合所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的第二集合的输出来获得所述第二索引通道信号。
18.如权利要求17所述的光学编码器，其中所述第一和第二索引位置指示所述光学传感器的移动的端点。
19.如权利要求17所述的光学编码器，其中所述至少三个相邻检测器的第一集合是在所述检测器阵列的第一端的前三个检测器，所述至少三个相邻检测器的第二集合是在所述检测器阵列的第二端的后三个检测器。
20.如权利要求12所述的光学编码器，还包括与门和非与门之一，所述与门和非与门适合于接收所述检测器阵列中的至少三个相邻检测器的集合的输出并输出所述索引通道信号。
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