CN1971922B - 光电二极管阵列及光学编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光电二极管阵列以及采用其的编码器。编码器包括光电二极管阵列、码轮、光源和光学系统。光电二极管阵列包括布置成圈的多个光电二极管，每个光电二极管包括该圈的环状扇段，每个光电二极管产生由入射到光电二极管上的光辐射确定的信号，光电二极管阵列的特征在于阵列中心。码轮包括围绕码轮轴线布置的交替条带组成的环状阵列，码轮围绕码轮轴线相对于光电二极管阵列运动。光源对码轮进行照明，光学系统在光电二极管阵列上形成具有交替亮暗条带的码轮图像。

Description

光电二极管阵列及光学编码器

技术领域

本发明涉及光电二极管阵列及使用该光电二极管阵列的光学编码器。

背景技术

编码器可以测量系统中元件相对于某些预定参考点的位置。编码器常用于给电动机或其他致动器提供闭环反馈系统。例如，轴编码器输出的数字信号可表示旋转轴相对于某些不运动的已知参考位置的位置。光学编码器采用光源和光检测器来测量编码器图案的位置改变，该图案携带在码盘或码带上。

在透射型编码器中，码盘/码带包括一系列交替的不透明条带和透明条带。光源位于编码图案的一侧，光检测器位于编码图案的另一侧。光源和光检测器彼此相对固定，编码图案在光检测器与光源之间运动，使得到达光检测器的光被编码图案的不透明区域阻断。通过对光电二极管观测到的亮暗区域之间的转变，来确定编码图案的位置。

在反射型编码器中，光源和光检测器位于编码图案的同一侧，编码图案由交替的反射性条纹和吸收性条纹组成。光源的定位使得来自光源的光照亮编码图案，然后用离开编码图案的光产生图像，所述图像在一个或多个光电二极管上叠加，所述光电二极管相对于编码图案的运动是固定的。

在轴编码器中，编码图案通常是盘的某部分，所述的盘连接到轴并随着该轴的运动而旋转经过光检测器。编码图案由与轴共心的环形构成。光检测器安装在固定表面上，使得编码图案运动经过光检测器。在使用该编码器的零件组装期间，光检测器必须与编码图案对准。

目前的趋势是更小的零件带有更高分辨率的编码器。这种趋势需要编码图案与光检测器阵列具有更高的对准精度。提供所需的对准大大增加了小型高分辨率编码器的成本。

发明内容

本发明包括光电二极管阵列以及使用其的编码器。编码器包括光电二极管阵列、码轮、光源和光学系统。光电二极管阵列包括布置成圈的多个光电二极管，每个光电二极管包括圈的环状扇段，每个光电二极管产生由入射到光电二极管上的光学辐射确定的信号，光电二极管阵列由的特征在于阵列中心。码轮包括围绕码轮轴线布置的交替条带组成的环状阵列，码轮围绕码轮轴线相对于光电二极管阵列运动。光源对码轮进行照明，光学系统在光电二极管阵列上形成具有交替亮暗条带的码轮图像。在本发明的一个方面，光电二极管绕着圈布置成多个组。每个组包括多个光电二极管，其中每个光电二极管被分配一种类型。对于一组中特定类型的每个光电二极管，圈中与该光电二极管径向相对的位置处有该类型的相应光电二极管。在本发明的另一方面，编码器包括多个求和电路，每个求和电路产生的信号与来自一种类型中全部光电二极管的信号之和有关。编码器可以构造成透射型，也可以构造成反射型。另外，还可以构成使用多个通道的编码器。

附图说明

图1图示了透射型编码器。

图2图示了一种反射型编码器。

图3图示了成像编码器的另一种形式。

图4是码盘的俯视图。

图5是沿图4所示5-5线的剖视图。

图6图示了现有技术的两通道编码器200。

图7是每个光检测器的输出幅值随码盘/码轮图像位置变化的曲线图。

图8图示了相位相差90度的两个逻辑通道信号。

图9和图10分别图示了根据本发明一种实施例的光电二极管阵列以及相应的码轮。

图11是用于对轴的位置进行测量的透射型编码器的剖视图。

图12图示了光电二极管阵列，其中光电二极管实际上只分布在部分圈上。

图13是根据本发明一种实施例的反射型成像编码器的剖视图。

图14和图15图示了根据本发明反射型编码器的另一种实施例。

图16和图17图示了用于单通道编码器的光电二极管阵列180以及相应的码轮182。

具体实施方式

现在参考图1-图3，其中图示了某些典型的编码器设计。编码器可以分为发射器/检测器模块15以及码轮(code wheel)或码带。模块15包括发射器11，发射器11对部分码带12进行照明。检测器13对被照明的码带进行观测。发射器通常采用LED作为光源。检测器通常基于一个或多个光电二极管。图1图示了透射型编码器。在透射型编码器中，来自发射器的光由准直光学器件(例如透镜24)准直为平行光束。码带12包括不透明条纹16和透明条纹17。当码带12在发射器11与检测器13之间运动时，光束被码带上的不透明条纹阻断。检测器中的光电二极管接收到光的闪烁。然后用得到的信号来产生逻辑信号，该逻辑信号在逻辑1与逻辑0之间转变。

检测器可以包括成像透镜25，该透镜25将经准直的光成像到光电二极管上。透镜25可以用来将亮条纹的尺寸调整到与检测器中的一个或多个光电二极管尺寸相符。在以此方式使用时，光检测器置于码带与透镜25焦点之间的某个位置。光检测器与透镜之间的间距决定了光检测器上码带图像的尺寸。

通常，准直器由提供给编码器制造者的两个单独子模块构成。第一子模块包括由发射器11和透镜24组成的光源。第二子模块由光检测器13和透镜25组成。由于光是准直的，所以只有发射器11与透镜24之间的间距以及透镜25与光检测器13之间的间距是关键的。子模块制造者可以将这些间距控制到很高精度水平。因此大大降低了透射型设计中需要由编码器制造者维持的公差。

图2图示了一种反射型编码器。在反射型编码器中，码带包括反射性条纹18和吸收性条纹19。发射器包括光学系统(例如透镜21)，在光照射到码带上的反射条纹时，该光学系统将发射器光源成像到检测器。来自发射器的光由码带上的条纹反射或吸收。来自光检测器的输出同样被转换成逻辑信号。某些实施例中光检测器包括多个光电二极管，这些光电二极管提供的信号取决于条纹图像与光电二极管的匹配，在这样的实施例中可以包括第二透镜27，用于以与上述类似的方式将码带图像的尺寸调整到光检测器的尺寸。

图3图示了成像编码器(imaging encoder)的另一种形式。成像编码器以与上述反射型编码器基本相同的方式工作，只是模块15包括成像光学器件23，成像光学器件23在检测器14上形成被照明码带的图像。另外，光源经过了透镜22的处理，使码带在被成像到检测器上的区域中受到均匀照明。

为了简化下面的讨论，采用了多通道透射型编码器。现在参考图4和图5，其中图示了透射型编码器。图4是码盘的俯视图，图5是沿图4所示5-5线的剖视图。码盘41包括编码图案，该图案在围绕码盘外侧边缘的环形区域中具有一系列饼状条带。码盘41围绕轴45转动，使得编码图案相对于轴45在径向保持固定。编码图案由交替的不透明条带和透明条带组成。示例性不透明条带如标号43所示，示例性透明条带如标号42所示。

参考图5，编码器包括安装在主体56上的光源51和光接收器55，该主体56相对于运动的码盘固定。光源51通常包括LED 57和准直透镜58，透镜58的定位使得离开光源51的光是准直的。光可以照明若干个相邻的条带。

如果光是完全准直的，则码带44下方的光图案是一系列亮条带和暗条带，它们具有与码盘上的条带一样的尺寸。此图案通过透镜59成像到接收器55中的检测器阵列52上，使得检测器阵列观察到的条带图案尺寸与阵列中各个检测器的尺寸相符。

在多通道编码器中，适当放大的条带图案被成像到光检测器阵列上。在光电二极管阵列中光电二极管的光敏区域上产生一部分条带图案的图像。为了简化下面的讨论，将采用下述附图，该附图图示了编码图案的图像以及光检测器表面区域，该表面区域上形成有所述图像。在各幅附图中，将把编码图案的图像示于光电二极管阵列旁边以简化附图。但是应当理解，实际上，编码图案的图像会被投射到光电二极管阵列的表面上。另外，为了简化附图，从附图中略去了光源以及任何准直光学器件或成像光学器件。

现在参考图6，其中图示了现有技术的二通道编码器200。编码器200包括编码图案，该编码图案被成像以形成由检测器阵列222观察的图像221。编码图案的图像221由交替的“白色”和“黑色”条带组成。为此示例的目的，将假设当“白色”条带成像到检测器上时，检测器输出其最大信号值，而在“黑色”条带成像到检测器上时，检测器输出其最小值。还假设当只有部分“白色”条带成像到检测器上时，检测器输出中间值。

检测器阵列222由标有A、A’、B、B’的4个光检测器构成。每个光检测器观察部分图像221，该部分的面积是图像中一个条带面积的一半。A’和B’检测器的定位使得A’检测器和B’检测器产生的信号与A检测器和B检测器产生的信号分别互补。A、A’和B光检测器的输出如图7所示，图7是每个光检测器的输出幅值随编码图案的图像位置而变化的曲线图。为了使图7简化，略去了B’光检测器的输出。

这些检测器产生的信号由检测器电路231和232合并，以产生图8所示有90度相位差的两个逻辑通道信号。图8图示了当编码图案沿一个方向运动时通道A和通道B的信号。如果编码图案沿相反方向运动，则通道B的信号将比通道A的信号领先；但是两个信号仍然会有90度的相位差。

图6所示用于将光电二极管输出信号转换成通道信号的电路是本领域公知的，因此将不在这里详细讨论。为了此处讨论的目的，只要知道下面的情况就足够了：与一对光电二极管输出信号(例如A和A’)对应的通道信号，在检测器A的输出与检测器A’的输出相等那些点处，在逻辑1与逻辑0之间切换。

两个通道信号可以测量码带图像相对于检测器阵列的运动方向。另外，两个通道信号限定了4种状态，这些状态将一个黑色条带和一个白色条带测得的距离分成4份。4种状态对应于两位二进制数，其中第一位由通道A信号的值确定，第二位由通道B信号的值确定。

应当注意，检测器阵列可以被看作圆的圆弧，该圆弧与含有码盘条带图像的圆具有同样的半径和中心。如果这两个圆彼此错开，或者如果两个圆的平面没有对准，则编码器的效果会大大恶化。本发明提供了一种编码器阵列，它对于这种对准误差有更高的容忍性。

现在参考图9和图10，其中分别图示了根据本发明一种实施例的光电二极管阵列以及相应的码轮。光电二极管阵列100由光电二极管101的环形圈构成。每个光电二极管具有截断的饼状，该形状由具有相同中心和不同半径的两个圆以及大圆的两条半径组成。

光电二极管阵列100设置为以上述两通道模式工作。整个编码图案的图像被投射到光电二极管阵列100上，使得编码图案上的每个条带覆盖光电二极管阵列100上的两个光电二极管。光电二极管以与上面参考图6-图8所述类似的方式分为4类。一类中的所有光电二极管都连接在一起。因此，对所有的A光电二极管求和形成总的A信号，对所有的A’光电二极管求和形成总的A’信号。然后将总的A信号和总的A’信号输入A检测器电路，该电路以与上述类似的方式提供通道A信号。与之类似，对B信号和B’信号求和并输入B检测器电路以产生通道B信号。然后如上所述对通道A信号和通道B信号进行处理。相应的码轮示于图10中。码轮110具有交替的不透明区域和透明区域。示例性不透明区域和透明区域分别如标号111和标号112所示。

码轮和光电二极管阵列的组合可以用来构成透射型编码器。现在参考图11，图11是用于对轴121的位置进行测量的透射型编码器120的剖视图。码轮110安装到轴并随之运动。码轮110由来自光源124的准直光照明。光源124可以由若干个LED和准直透镜构成。应当理解，光源124只需照明码轮上的编码图案，因此可以包括用于轴121的开口。透镜122可以用于调整码轮的图像，使得该图像与光电二极管阵列芯片的物理尺寸相符。

光电二极管阵列101中各个光电二极管的输出输入到控制器123，该控制器123对各类光电二极管的输出求和并将总的信号合并以提供上述通道A信号和通道B信号。尽管示出的控制器123独立于光电二极管阵列100，但是应当理解，也可以构成这样的实施例，其中光电二极管阵列100和控制器123是同一硅集成电路衬底的一部分。在采用CMOS光电二极管的设计中，这样的单芯片方案特别有吸引力，因为可以用与光电二极管同样的CMOS工艺来制造控制电路。

现在再参考图9，光电二极管绕着圈分布。理想情况下，码轮图像的旋转轴与光电二极管阵列在光电二极管阵列中心处相交。但是，本发明可以对码盘图像中心与光电二极管阵列中心之间的失准进行补偿。因此，只要轴线与光电二极管阵列在光电二极管阵列附近的点处相交，编码器就能工作。从计算机模拟中可以看到，这种实施例与采用单一扇段光电二极管的编码器相比，对码轮图像中心相对于光电二极管阵列中心的失准有更高抵抗力。另外，这种结构还可以补偿由于码轮图案相对于光电二极管图案的偏心造成的误差。

在本发明的上述实施例中，光电二极管阵列由光电二极管的完整圈分布构成。但是，也可以构成仅有部分圈分布的实施例。现在参考图12，其中图示的光电二极管阵列中光电二极管实际上只分布在部分圈上。光电二极管阵列150包括4组光电二极管，它们的分布使得每个组位于相应组的对角处。这种布置提供了比上述现有技术单组布置好得多的性能，而在构成光电二极管阵列的芯片上只需更少的光电二极管工作。应当注意，可以在构成完整分布的圈型结构并对其测试之后来确定要将光电二极管设在圈形结构的哪个精确位置处。

除了提供对对准误差的容许之外，本发明还提高了信号的信噪比，所述信号用于提供通道信号。通过对大量光电二极管的输出求和，增大了对每个信号作出贡献的光电二极管有效面积。因此，获得了更高的信噪比。有许多应用场合需要很小的编码器。随着尺寸减小，可用于各个光电二极管的硅面积也减小了，因此增大了现有技术装置中的信噪比。本发明的圈形光电二极管阵列提供了用于提高信噪比的机构，从而可以构造更小的编码器。

本发明的上述实施例针对的是透射型编码器。但是，也可以采用根据本发明的光电二极管阵列构成反射型编码器。现在参考图13，它是根据本发明一种实施例的反射型编码器的剖视图。编码器170对轴121的运动进行测量。反射型码轮171连接到轴121并随着轴运动。码轮171的底面包括交替的反射性条带和吸收性条带组成的图案。光源174将底面照明。条带图案通过透镜172成像到圈型光电二极管阵列175上。由于透镜可以将条纹图案成像到光电二极管阵列上，所以光源174可以是对码轮的条纹区域进行照明的漫射源。控制器176对来自各类光电二极管的信号进行求和运算。

现在参考图14和图15，其中图示了根据本发明反射型编码器的另一种实施例。图14是编码器200的剖视图，图15是图14所示发射器/检测器模块203的俯视图。编码器200包括码轮201，码轮201上具有编码图案。码轮201连接到轴202并随之旋转。发射器/检测器模块203对码轮201进行照明并检测从其反射的光。发射器/检测器模块203包括含有圈型结构检测器204的芯片210。光源205安装在此芯片上未用于检测器的区域中。这些元件安装在衬底207上并密封在透明介质(例如环氧树脂)的层206中。将密封介质的顶面208模制形成透镜，该透镜将来自光源205的光导向编码图案并将返回的光成像到检测器204上。

本发明的上述实施例针对的是两通道编码器。但是，本发明也可以用于实施其他类型的编码器。例如，在单通道编码器中，光电二极管阵列由提供信号A和A’的交替光电二极管组成。现在参考图16和图17，它们图示了用于单通道编码器的光电二极管阵列180和相应的码轮182。在此情况下，对于同样数目的码轮条带，光电二极管阵列的面积是上述情况的两倍，光电二极管阵列上的码轮图像使得来自白色条带的光在邻近的黑色条带覆盖A’检测器时覆盖A检测器。

根据上述说明书以及附图，本领域技术人员会明白对本发明的各种更改。因此，本发明应当仅由权利要求的范围来限定。

Claims (11)

1.一种光电二极管阵列，包括：

布置成仅一个圈的多个光电二极管，每个光电二极管包括所述圈的环状扇段，每个光电二极管产生信号，所述信号由入射到所述光电二极管上的光辐射确定，

其中，所述光电二极管绕着所述圈布置成四个组，每个组包括多个光电二极管，其中每个光电二极管被分配一种类型，

其中，所述四个组以对角方式布置在所述一个圈上。

2.根据权利要求1所述的光电二极管阵列，其中，所述光电二极管布置成径向对称的图案。

3.根据权利要求1所述的光电二极管阵列，还包括多个求和电路，每个求和电路产生与来自一种类型中全部所述光电二极管的所述信号之和有关的信号。

4.根据权利要求2所述的光电二极管阵列，其中，所述图案包括缺少任意光电二极管的区域，所述区域的面积大于一个所述光电二极管的面积。

5.一种编码器，包括：

光电二极管阵列，所述光电二极管阵列包括布置成仅一个圈的多个光电二极管，每个光电二极管包括所述圈的环状扇段，每个光电二极管产生信号，所述信号由入射到所述光电二极管上的光辐射确定，所述光电二极管阵列的特征在于阵列中心；

码轮，所述码轮包括围绕码轮轴线布置的交替编码条带组成的环状阵列，所述码轮围绕所述码轮轴线相对于所述光电二极管阵列运动；

用于照明所述码轮的光源；以及

光学系统，所述光学系统用于在所述光电二极管阵列上形成所述码轮的图像，所述图像包括交替的亮条带和暗条带，

其中，所述光电二极管绕着所述圈布置成四个组，每个组包括多个光电二极管，其中每个光电二极管被分配一种类型，

其中，所述四个组以对角方式布置在所述一个圈上。

6.根据权利要求5所述的编码器，其中，所述光电二极管布置成径向对称的图案。

7.根据权利要求5所述的编码器，还包括多个求和电路，每个求和电路产生与来自一种类型中全部所述光电二极管的所述信号之和有关的信号。

8.根据权利要求5所述的编码器，其中，所述光源用准直光从所述码轮的一侧照明所述码轮，光电二极管阵列位于所述码轮的另一侧。

9.根据权利要求5所述的编码器，其中，所述图案包括缺少任意光电二极管的区域，所述区域的面积大于一个所述光电二极管的面积。

10.根据权利要求5所述的编码器，其中，所述编码条带的数目是一个所述组中光电二极管数目的整数倍。

11.根据权利要求5所述的编码器，其中，所述光源与所述光电二极管阵列位于所述码轮的同一侧。

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